11月28日午後1時30分、信濃隊は横須賀を出港した。艦隊の配置は、先頭は第十七駆逐隊司令駆逐艦浜風、中央に信濃、信濃右舷に雪風、左舷に磯風。あるいは先頭磯風、右浜風、左雪風であった。長門では乗組員が甲板に整列し帽子をふって見送り、信濃側もそれに応えた。4隻（信濃、浜風、雪風、磯風）は金田湾で時間調整したのち、午後6時30分に外洋へ出た。信濃艦内では機械室やガソリンタンク周辺で工事が続けられており、機関未完成のため、最大発揮速力は20ノット前後であった。同日午後7時、磯風は敵潜水艦の電波をとらえ、警戒を強める。同様に信濃側も探知し、阿部艦長は乗組員に警戒するよう通達を出した。午後9時頃、電波探知機（逆探）で右後方に追尾する船舶を発見し、阿部艦長は信濃右舷にいた駆逐艦に偵察を命じた。調査に向かった駆逐艦は「味方識別に応ぜざるも、乾舷高く、漁船と思われる」と報告、信濃甲板士官の沢本中尉は「怪しい影」はアメリカ海軍のバラオ級潜水艦「アーチャーフィッシュ（USS Archerfish, SS-311）」ではなかったかと回想している。戦後、沢本と同様の見解を持つ作家もおり、作家の豊田穣は、戦後、アーチャーフィッシュの艦長ジョセフ・F・エンライト少佐に詳しく取材したことを根拠にしている。一方、エンライト艦長の著書では、この時アーチャーフィッシュは信濃の進路後方ではなく、前方を占位していたと証言している。それによれば、アーチャフィッシュは接近してくる信濃を右舷艦首方向に発見、更に信濃艦首側、アーチャーフィッシュにより近い側に護衛艦1隻を確認した。エンライト艦長は追跡班に「前方より追跡を開始せよ」と命じてアーチャーフィッシュを転舵させると、艦尾方向に信濃を確認し、同一進路を前進しながら監視を続けたとある。エンライト艦長は、信濃右舷側を進む駆逐艦が直衛を離れ、調査に向かってきたのも、識別信号を発信したのも確認していないという。午後10時、艦隊の先頭にいた浜風は前方6,000mに並走するマスト2本の水上目標を発見する。同艦は増速すると距離3,000mまで接近して照準を定めたが、信濃は「引き返せ」と命じた。これは「護衛艦は敵潜水艦を深追いして直衛に隙間をあけない」という事前の取り決めによるものだった。午後10時45分、信濃は右舷前方に浮上した潜水艦を発見し、誰何信号を送った。アーチャーフッシュも信濃のマストに10秒-20秒-10秒という赤色発光信号を確認し、護衛駆逐艦の攻撃を予想して乗員が不安を感じたとしている。浜風・雪風は砲撃態勢をとったが、阿部艦長は所在の暴露を恐れて発砲を許可しなかった。この頃信濃艦内では、乗組員に汁粉（ぜんざい）が配られていたという。上甲板、艦中央部にあった通信室では、通信科の下士官兵達がオーストラリアのメルボルンから発信される日本語の対日プロパガンダ放送を聴いて楽しんでいたとする主張もある。11月29日午前0時30分、遠州灘に差しかかった頃、艦隊はペリスコープらしきものを備えた影を発見し、この時、雪風は最も近くにいた浜風が影を確認しにいったと思ったが、浜風と磯風の艦長は、雪風に影を確認してもらう事に決め、その旨を磯風より通信したが、雪風側は受信していない。この混乱について、第十七駆逐隊司令と司令艦の浦風を台湾沖で喪失した影響であり、正式な司令が着任していれば防げたという意見もある。この影は信濃でも見張員が発見していたが、多数が望遠鏡を見た結果、雲であると判断し、そのまま南進を続けた。信濃通信長の荒木勲中佐は、右舷に敵潜水艦らしきものを発見して左斉動（南方へ転針）を行い、その後も対潜水艦回避行動を行ったと回想している。信濃艦長伝令の梅田耕一水兵長（航海科信号員）の記録によれば、「11月29日午前2時45分、右30度距離7000に敵潜水艦らしきもの発見、右舷駆逐艦（磯風）と交信、3時5分に敵潜を見失う」とあり、アーチャーフィッシュ側も「0305、100度に変針、潜航。潜望鏡の空母、距離6400m、護衛艦は点滅発光信号受信のため空母に接近」と記録している。浜名湖の南100マイル（約161km）沖で待機していたアーチャーフィッシュは、不時着したB-29乗員の救援任務を切り上げ、商船を襲うべく東京湾へ向かった。11月28日午後8時30分、レーダーの修理が完了。午後8時48分、エンライト艦長は、「島が動いている」というレーダー士官の報告を元に、信濃を発見した。発見当初、アーチャーフィッシュでは信濃甲板上に飛行機の姿を確認できなかったことなどから、艦種を特定しかねており、タンカーだと考えていた。しかし非常に大型の船であったことから、攻撃のために追尾することを決める（同艦は護衛駆逐艦を4隻と記録）。アーチャーフィッシュは浮上すると、最大全速19ノットで追跡を開始した。浮上航走のうち、アーチャーフィッシュは目標が飛鷹型航空母艦（米軍呼称ハヤタカ）や大鳳型航空母艦とは異なる新型大型空母であることを確信する。これは信濃艦首の形状を観察し、大鳳型にはない開放格納庫を確認したためである。午後10時45分、アーチャーフィッシュは彼らに向けて1隻の駆逐艦が距離3,000mまで突進してくるのを発見し、潜航退避する寸前まで追い詰められた。だが、信濃のマストに赤色信号が見えると駆逐艦は引き返したため、アーチャーフィッシュは難を逃れた。アーチャーフィッシュのエンライト艦長の手記では、これを磯風としているが、前述のように浜風の可能性が高い。午後11時30分、エンライト艦長は目標を捕捉できない可能性を考慮し、友軍潜水艦の応援を暗に求め、最高司令部宛に以下の無電を発信する。「アーチャーフィッシュより太平洋艦隊総司令部、太平洋方面潜水艦隊司令部ならびに日本領海のすべての潜水艦宛。我れ大型空母を追跡中、護衛駆逐艦3隻あり、位置北緯32度30分、東経137度45分、速力20ノット」。信濃に傍受される危険をおかした無線（実際に傍受された）に対するアメリカ潜水艦隊司令部の返電は「追跡を続けよ、ジョー、成功を祈る」。ニミッツ提督司令部からは「相手は大物だ。君のバナナは今ピアノの上にある。逃がすな」だった。エンライト艦長が期待していた増援の潜水艦は手配されず、結局アーチャーフィッシュは単艦での4隻（信濃、浜風、雪風、磯風）の追跡を続行した。11月29日午前2時40分には「目標の左舷8マイルにして追跡中、魚雷発射の射点に占位し得るや疑問なり」と発信した。信濃は全速の20ノットで航行しており、浮上最大発揮速力19ノットのアーチャーフィッシュでは追いつけない筈だったが、「相手のジグザグ運動のために、きわめてゆっくりと追い越すことができる」という状態になった。さらに日付変更直前、信濃機関部で右舷の中間軸受けが過熱したため、速力を18ノットに落としていたという。アーチャーフィッシュも信濃の速力低下を確認していた。アーチャーフィッシュ襲撃時点の日本側の護衛陣形には諸説あり、「先頭に雪風、中央に信濃、右に浜風、左に磯風」という浜風水雷長説や、「磯風が先頭、右に浜風、左に雪風」という雪風砲術長説、「浜風が先頭、右に雪風、左に磯風」という雪風水雷長説がある。この混乱は之字運動をする関係で時刻によって駆逐艦の位置が常に変化しているためであり、外洋ではおおむね十七駆司令駆逐艦の浜風が先頭を航行していたという。11月29日午前3時13分、浜名湖南方沖176kmにてアーチャーフィッシュは、魚雷6本を発射した。日本側はアーチャーフィッシュの存在には気付いており、午前3時5分には信濃が第十七駆逐隊に潜水艦警報を発し、同隊も潜水艦と思われる電波を傍受したが、位置の特定はできていなかった。潜航状態（潜望鏡発射）、1,400ヤード（約1,280m）の距離から発射された魚雷は、調停深度水面下10フィート（約3m）で6本。3本ずつ角度をずらせる150%射法にて発射された。これは最初の3本の破孔に次の魚雷が飛び込むことを期待したと、エンライト艦長は手記に記載している。また魚雷は重量物が水線よりも上に集中している不安定な空母を転覆させるために、命中深度を通常より浅く設定して発射された。午前3時16-17分、魚雷4本が信濃右舷に命中。生存者の証言では2本、アーチャーフィッシュは6本命中を主張。命中深度を浅く設定された魚雷は、信濃右舷後部のコンクリートが充填されたバルジより浅い部分に命中し、ガソリン貯蔵用空タンク、右舷外側機械室付近、3番罐室即時満水、亀裂で隣の1番罐室・7番罐室に浸水、空気圧縮機室が被害を受けた。最初の報告では、後部冷却機室、機関科兵員室、注排水指揮所近辺、第一発電機室などに浸水、右舷6度傾斜というものである。第三海上護衛隊司令部で被害無線を傍受。命中後、一時13度傾斜したが、左舷注水により右傾斜9度に回復した。信濃は速力を落とさず、傾斜しながら20ノットで現場から退避したため、アーチャーフィッシュは北西に向かう信濃を追撃することは出来なかった。随伴駆逐艦から爆雷も投下されたが、アーチャーフィッシュは約15分間、爆発14回を記録し、脅威にはならなかった。3時30分、信濃は信号で被雷したことを告げた。3時45分、アーチャーフィッシュは巨大な爆発音が20分続くのを聴音し、沈没する大型艦艇の爆発だと判断した。6時14分に潜望鏡をあげ、洋上に何もない事を確認。それから4時間後、大爆発音を聴音した。