1945年（昭和20年）はじめもしくは1944年末ごろ、艦橋左右に機銃台を増設し25mm3連装機銃2基を増備した（合計7基）。また前マスト上の21号電探を撤去し、跡に22号電探1基・13号電探1基を設置（13号電探は合計2基）。1945年（昭和20年）2月下旬、第二水雷戦隊司令官古村啓蔵少将（海兵45期）及び指揮下二水戦各艦は北号作戦で日本に帰投。2月20日附で人事異動がおこなわれ、涼月水雷長は澤岡信男大尉から岩越朴雄大尉に交代。涼月機関長も桑原堅志少佐から原田周三大尉（当時、夕雲型駆逐艦朝霜機関長）に交代する。2月21日、41駆（涼月、冬月）は正式に、第二水雷戦隊司令官の指揮下に入った。3月1日、第41駆逐隊司令として夕雲型駆逐艦風雲初代艦長等を歴任した吉田正義大佐（海兵50期）が着任する。3月10日附で杉谷大佐（涼月艦長）は第52駆逐隊司令へ転任、涼月新艦長として平山敏夫中佐（海兵55期。平山は、夕雲型駆逐艦早霜沈没時の艦長）が着任した。3月19日の呉軍港空襲では、広島湾にて戦艦大和（艦長有賀幸作大佐）の護衛についた。第二艦隊に大きな被害はなかった。3月29日、海上特攻隊（指揮官伊藤整一第二艦隊司令長官/海軍中将・海兵39期）とともに三田尻沖に移動した。敵水上艦隊との戦闘が行われる場合、第41駆逐隊（冬月、涼月）は第一遊撃部隊（1YB）第一部隊（1NB）となり、大和の直衛艦として行動する予定だった。3月26日、倉橋友二郎少佐（涼月砲術長）を第36号海防艦長（丁型海防艦）に、平田茂男大尉（当時、雲龍型航空母艦笠置艤装員）を涼月砲術長とする人事が発令される。倉橋によれば、平山（涼月艦長）や第二艦隊司令部の意向により、しばらく様子を見ることになったという。また沖縄への出撃に際し、生還は見込めないことから涼月主計長を退艦させている。4月6日15時、海上特攻隊（第一遊撃部隊）は、第二艦隊長官伊藤整一中将指揮下、第一航空戦隊（大和）、第二水雷戦隊〔軽巡〈矢矧〉、第17駆逐隊〈磯風、雪風、浜風〉、第21駆逐隊〈朝霜、霞、初霜〉、第41駆逐隊〈冬月、涼月〉）という戦力で徳山を出撃（対潜警戒の第三十一戦隊は午後4時以降分離、帰投）。少なくとも3隻（磯風、涼月、冬月）は煙突に菊水マークを描いていたという。19時50分からの第一警戒航行序列では、涼月は大和（旗艦）の右側を占位した。翌4月7日6時に第三警戒航行序列に切り替わってからは、大和左後方に位置した。同日午前中、夕雲型駆逐艦朝霜（第21駆逐隊司令小滝久雄大佐座乗）が機関故障により落伍。12時30分前後にアメリカ軍機に襲撃されて沈没した。涼月からは朝霜のマストだけが見えていたという。12時32分、アメリカ第58任務部隊（マーク・ミッチャー中将）からの艦載機の第一波がやってくる。度重なる転舵で輪形陣が崩れる中、涼月は大和左舷後方に位置して掩護を続けた。第一波攻撃により、矢矧（第二水雷戦隊旗艦）は被雷して航行不能、浜風（第17駆逐隊）は沈没した。第一波の空襲が終わりに近づいてきた13時8分（涼月艦橋の電気時計の停止時間。実際の被弾時間は不明）、空母エセックス (USS Essex, CV-9) のSB2C「ヘルダイバー」4機から投じられた150キロ爆弾のうち一発が艦橋前に命中して船首楼甲板、上甲板、右舷側外板に大破口が生じ、他の二発が後方への至近弾となった。命中弾により火災が発生し、海図も方面違いの5枚を残して全て焼失、通信装置を失い、ジャイロコンパスも破損した。一番砲塔、二番砲塔も大破し、弾薬庫は一番砲塔のもの以外は全て浸水した。艦内電源が断たれたため消火活動を開始するまでに時間がかかり、二番砲塔の誘爆を招いてしまったという。冬月は13時15分に『涼月火災中ナルヲ認ム』と記録している。この時点で第一罐室が浸水放棄されたが機関部人員に被害はなく、第二罐室による20ノットが発揮可能だった。操舵装置の破壊と速力指示機の故障により涼月は右旋回を続けていたが、このとき、大和が左舷に回頭したため、2隻は50m程まで接近した。涼月側は後進をかけ、衝突は直前で回避されている。涼月からは大和に舵故障の旗流信号（D旗）が上がっているのが見られた。13時30分頃よりアメリカ軍機動部隊艦載機の第二波攻撃がはじまった。アメリカ軍攻撃隊の報告によれば、当時の第二艦隊は健在の大和直衛群（大和、冬月、初霜、雪風、霞）、航行不能の矢矧（第二水雷戦隊旗艦）および同艦救援の磯風（第17駆逐隊）に分離し、その間に軽巡洋艦1隻が航行していた。涼月を軽巡洋艦と誤認したものとみられる。この攻撃で大和と矢矧が沈没。霞が航行不能となり、損傷を受けた磯風は自力で北方へむかった。涼月戦闘続行不能と判断した平山(涼月艦長)は、大和沈没後の14時30分頃から単艦で帰投開始。通信装置は破損しており、作戦中止命令は受信できなかった。涼月は被弾により艦首が沈下（前方傾斜10度）、中央部も海面から甲板まで数十cmという状態で前進すると船体が潜ってしまう状態だった。そこで機関長は「後進強速黒二〇（後進強速の回転数に20回転プラス）」の紙を機械室や罐室にはりつけた。9ノットの速力を安定して発揮。この時、空母イントレピッド (USS Intrepid, CV-11) のTBF「アヴェンジャー」が魚雷を放ってきたものの、命中しなかった。海図焼失、ジャイロコンパス破損の状況ながらも涼月は日本本土を目指した。その際、涼月側では大和沈没直後に『たまたま近づいてきた駆逐艦』に手旗信号で方向を教えてもらい、北東へ針路をとった……としているが、酒匂（初霜艦長）の回想では初霜（第21駆逐隊）が涼月の後方について針路を指示した」となっている。14時55分、涼月は「右舷至近弾大破火災 目下消火中」と打電したものの、火災が一晩中鎮火しなかった為、アメリカ潜水艦に発見されることを誰もが恐れていたという。夜になって実際に雷撃されたが、艦尾前方を通過していったという回想も残されている。15時15分、初霜に対して突入作戦が続行中かどうか信号で交信したが、「不明」との返事をもらう。次いで15時25分には冬月に対して二軸運転で航行可能な旨を報じた。17時30分、涼月は洋上に停止して応急修理を行う磯風（第17駆逐隊司令駆逐艦）と遭遇した。同時刻、矢矧（艦長原為一大佐）沈没後、初霜に救助されていた第二水雷戦隊司令官古村啓蔵少将は、遊撃部隊の指揮を吉田正義大佐(第41駆逐隊司令、冬月座乗)から継承した。初霜（二水戦司令部）は磯風の曳航準備を進める陽炎型駆逐艦雪風（第17駆逐隊）に対し、磯風処分を下令した。第17駆逐隊および雪風の磯風曳航の意見具申を二水戦司令部（初霜）は却下し、磯風は雪風に処分された。また二水戦司令部（初霜）は冬月に対しても『涼月ヲ護衛シ至急佐世保ニ回航セヨ』と命ずるが、同時に『状況ニ依リテハ涼月ヲ処分シテ差支ナシ』とも通達している。日没後、涼月を護衛もしくは処分するため冬月が捜索を開始したが、見つけることは出来ず、すでに先行していると推定された。4月8日朝、冬月は各隊に単独帰投中の涼月の掩護を要請した。9時32分、指宿航空隊機により、佐多岬の262度140海里の地点を北上しているのが発見される。昼前には1隻の漁船（漁船改造の特設掃海艇とも、駆潜艇とも）から「われ貴艦の側方を護衛する」と手旗信号をおくられ、涼月乗組員一同を苦笑させた。14時30分、ついに佐世保に帰投する。帰着が遅く、すでに沈没してしまったと思われていたが、突然の帰還に佐世保海軍工廠はサイレンを鳴らして歓迎した。しかし佐世保入港時に後進から前進に切り換えたことで浸水が進行。係留中にも浸水が止まらなかったので大急ぎでタグボートを手配されて18時30分に第七船渠に収容することができたが、排水を待ちきれず第七船渠内で着座してしまった。大破した前方区画のうち、前部弾薬庫は区画内部から防水処置がされたため沈没を免れる。自らの脱出口を絶ってまで気密を保つ作業を行った3名の乗員は、後に酸欠死している状態で発見された。また涼月砲術長によれば、3名のうち江藤虎蔵(二等主計兵曹）は短刀で自決していたという。本海戦において涼月は戦死者57名、負傷者34名（35名とも）を出した。