8月21日18時35分、対馬丸と暁空丸、和浦丸で構成されたナモ103船団は台風接近による激しい風雨の中、蓮と宇治の護衛により長崎へ向けて那覇を出港する。対馬丸には民間人及び那覇国民学校の児童、その介添者合わせて1,661名（1,667名、1,788名の説もある）、上海から転送中の乾繭1,775梱とゴマ1,000梱を乗せていた。また、当時の乗組員は86名であった。他の2隻も疎開者を乗せており、船団最優秀船の和浦丸には学童疎開者だけ1,514名、鹵獲船の暁空丸には一般疎開者だけ約1,400名が乗船した。対馬丸の乗客の多くは、軍隊輸送船として兵員収容区画へ改装されていた船倉に居住することとなったが、階段一つと緊急用の縄梯子があるだけの出入り困難な状態であった。児童たちの対馬丸船内での様子はさまざまで、「まるで修学旅行でも行くかのように」、甲板に出て和浦丸を眺めたり、「先生、ヤマトに行くと雪が見られるでしょう」とまだ見ぬ雪に思いをはせる者、船酔いになるも一晩で回復した者、一晩中寝ずに騒いだ者などもいた。手空きの対馬丸の乗組員も児童たちとつきあい、「戦争の話や、前に遭難して助かった話などをした」。一方で、アメリカの潜水艦ボーフィン (USS Bowfin, SS-287) が7月16日に6回目の哨戒で真珠湾を出撃して東シナ海で行動しており、8月10日朝には南大東島に停泊中の機帆船2隻を雷撃で破壊していた。その後は奄美大島、徳之島、伊平屋島、与論島近海で哨戒を行った。8月19日朝には沖縄本島北西海域で前述の609船団を発見しており、浮上攻撃を試みるも逃げられている。8月20日は漁船を見たのみで、8月21日は久米島北西海域で哨戒を行った。アメリカ海軍は暗号解読などにより、ナモ103船団の予定航路をおおよそ把握していた。8月22日4時10分頃、ボーフィンはレーダーによりナモ103船団を探知する。ボーフィンは潜航状態で観測を行ったが、哨戒機2機が「機械的な旋回飛行」しかしなかったとはいえ常時張り付いていたことと、強烈なジャミングを発していたことから「重大任務の船団」と識別して夜間攻撃を行うことに決めた。8月22日を迎えたばかりの対馬丸の船長室では、西沢武雄船長と陸軍少尉の輸送指揮官との間で激論が交わされていた。西沢船長はこの航路の危険を熟知していたので、ジクザグコースを取る事を主張していた。しかし輸送指揮官は、船団から離れる危険や、到着の遅延への懸念の方を重く見て直線での航行を主張し、結局「軍の命令」ということで直線コースをとった。その頃、10時34分に浮上したボーフィンはナモ103船団を見失っており、全速で予想針路へと急行することとなった。ボーフィンが再びナモ103船団をレーダーで捕捉したのは12時54分頃で、彼我の距離はおよそ42,000ヤード（約38.4キロ）から45,000ヤード（約41.1キロ）であった。ボーフィンは速力を調節しながらナモ103船団との距離を十分に保ちつつ触接を続けた。19時58分、ボーフィンはナモ103船団への攻撃地点を平島と諏訪之瀬島間の海峡の手前と決め、21時30分に攻撃予定時刻に設定の上、全速力で攻撃予定海域へと向かった。夜を迎えた対馬丸の船内では、引率教師が児童たちに救命胴衣の着用を指示し、児童のうち3分の1は上甲板上のいかだに寝場所をこしらえて寝ることとなった。前日の夜とは違い、雨がぱらついてきたので船倉へ移ったり、疲れで前日ほどの元気のない者がいた。一方のボーフィンも20時53分頃には平島を後方6マイルに、諏訪之瀬島を左舷前方8マイルに、悪石島を右舷前方6マイルに臨む海域に到達した。ボーフィンからは対馬丸と暁空丸がしばし重なるように見え、21時22分にはついにナモ103船団の全貌を視界内にとらえることとなった。ボーフィンは攻撃方法を水上攻撃とし、まず艦首発射管からの魚雷を対馬丸、暁空丸および蓮に対して発射し、面舵で方向を転換した後、艦尾発射管からの魚雷を和浦丸と宇治に対して発射するという攻撃プランを組み立てた。22時9分、ボーフィンは距離2,800ヤード（約2.56キロ）で艦首発射管から魚雷6本を発射し、予定通り面舵で方向転換した後、艦尾発射管からの攻撃に備えた。ボーフィンの観測によれば約1分後、魚雷は「対馬丸と暁空丸の双方に2本ずつ、蓮に1本命中して対馬丸は早くも沈み始め、蓮は粉砕された」というが、実際に被雷したのは対馬丸だけであった。攻撃された対馬丸は見張員が魚雷発射を確認し、ただちに反撃の砲撃にとりかかろうとしていた。船橋では西沢船長が「取舵一杯、両舷全速前進」を下令した。だが、いずれの効果もほとんど示さぬまま魚雷は接近し1本は対馬丸の船首前方をかすめ去ったが、続く3本の魚雷が対馬丸の第一、第二、第七船倉左舷に命中した。間を置いて、別の魚雷1本が対馬丸の第五船倉右舷に命中し、魚雷命中による夥しい海水の流入で縄梯子はほとんど流され、階段もすぐに海水につかって使えなくなった。階段へいち早く登った者は、暑さに耐えかねて既に甲板に上がっていた者とともに船倉から脱出できた。対馬丸の西沢船長は「総員退船」を令し、引率教師はなかなか起きない児童を蹴っ飛ばしてまで起こし、何名かの対馬丸乗組員とともに梯子を登らせようとしたが上手くいかず、何人かは梯子を踏みはずして下に転落する有様であった。脱出した者の中にも舷側が高すぎたため、恐怖から海に飛び降りることができなかった者が大勢おり、対馬丸の乗組員は何人かの児童をブルワークから引き離して海に放り投げた。一方、配られた救命胴衣が大きすぎたことでうまく使いこなせず溺れた児童もいた。煙突の方を見れば、児童を背負った女性が4名から5名ばかり登っていたが、煙突の崩落とともに海中に転落した。ボーフィンの魚雷命中から11分後の22時23分頃、対馬丸は大爆発を起こして沈没した。船の爆風で救命ボートが転覆し、生存者は台風襲来の中、筏で漂流しながら救出を待つことになった。漂流は、風雨、三角波、眠気、真水への渇望、錯覚等との戦いでもあった。対馬丸を攻撃したボーフィンは船尾発射管から2本の魚雷を発射して1本の命中と対馬丸の確認をした後、横当島方向へと移動していった。暁空丸、和浦丸と護衛の蓮、宇治は全速力で危険海域から姿を消していった。他船が救助活動を行わなかった理由として、9ヵ月前の1943年（昭和18年）12月21日未明に、対馬丸が沈没した海域に程近い北緯30度26分 東経129度56分の地点で発生した、沖903船団の事件が挙げられる。沖903船団は、奄美大島の名瀬港を出航した後、アメリカの潜水艦グレイバック (USS Grayback, SS-208) の魚雷攻撃により貨客船湖南丸（大阪商船、2,627トン）が轟沈。そして湖南丸の生存者の救助にあたるため、停止していた特設捕獲網艇柏丸（宇和島運輸、515トン）も、またグレイバックの魚雷で撃沈され、湖南丸の船客683名のうち、柏丸に一旦救助された者も含めて576名と、その他乗員が死亡した。そのためナモ103船団の他船は、漂流者救出を断念してその場を去り、数日後に目的地の長崎港に着いている。また当時、アメリカの潜水艦は3隻程度のウルフパックを組んで行動していることが多く、護衛不足の船団では二次災害防止のため残存船を逃がすのが最善の策であった。海域を去る際に蓮は爆雷攻撃を行ったが、浮上攻撃のボーフィンに対する攻撃としては意味がなかった。北上していた台風は、大東諸島方面へ逸れた。犠牲者の遺体の多くは奄美大島・大島郡宇検村などに流れ着いたため、現地には慰霊碑が建立されている。生存者の多くは、トカラ列島の無人島に漂着したり、嵐がやんでから軍から連絡を受けた鹿児島県の奄美大島や揖宿郡山川町（現：指宿市山川町）などの漁船に救出された。最も長い人は10日間の漂流を強いられた。漂流中、対馬丸の小関保一等運転士は10名ぐらいの児童が乗ったいかだにつかまり、漂流している児童を見つけてはいかだに乗せていた。小関運転士は児童に対して、腰まで水に浸かりながらもあえて座ることとかたまることを指示する。小関運転士の一団は台風に翻弄されながらも必死に耐え、8月23日15時ごろに漁船2隻に救助された。この2隻の漁船に救助されたのは児童、民間人83名、兵7名、乗組員21名であった。他方、対馬丸の高射砲受け持ちであった吉田薫夫砲手は児童3名といかだで漂流し、軍歌を歌ってしばし気を紛らしたがやがて体力の衰微とともに児童2名が相次いで死亡して「忘れられぬ悲痛」を体験した後、生き残った児童とともに8月24日に救助された。8月24日に救助されたのは児童、民間人90名、兵13名、乗組員33名であった。最終的に乗員・乗客合わせて1,484名が死亡し、このうち対馬丸の乗組員は西沢船長以下24名が対馬丸と運命をともにした。一方で、生き残った児童はわずかに59名だった。関連資料によっては60人とされることもある。