もともと宮中での勤務服は朝服及び、朝服を改造した束帯であった。しかし束帯は石帯で体を締め付けるなどして窮屈であったため、宿直（とのい）には不向きであった。そこで、「宿直装束」として衣冠が生まれた。
捷一号作戦の発令を前にした10月12日、「秋月」は呉に入港し10月14日まで出撃前の臨戦準備を行った。艦内の可燃物は徹底した陸揚げが行われたほか、カッター2隻と内火艇1隻（左舷）を陸揚げして跡に25mm単装機銃6挺を増備した。10月17日、捷一号作戦警戒が発令された。呉を出発し徳山で燃料補給の後、八島沖に回航して小沢機動部隊と合流した。10月20日、小沢機動部隊の護衛艦として日本を出発し、23日にはエンガノ岬沖に進出した。10月24日午前11時45分、小沢機動部隊から攻撃隊58機（零戦30、爆弾装備零戦20、天山艦攻6、彗星2）が発進してアメリカ軍機動部隊の攻撃に向かい、正規空母1隻撃沈、1隻撃破を報告した。実際の損害はほとんどない。また松型駆逐艦2隻（桐、杉）が燃料不足のため艦隊から離脱した。小沢中将は航空戦艦2隻（伊勢、日向）、第61駆逐隊（初月、秋月、若月）、第41駆逐隊（霜月）に対し『南方に進出、好機に応じ残敵を攻撃すべし』と命じた。秋月艦内では総員戦死の可能性が高まったとして酒保が解放され、当直を残して下士官兵を中心に宴会となった。前衛はアメリカ艦隊を求めて南下したが、小沢中将が午後10時30分に北方退避を命じたため、「秋月」も四航戦（伊勢、日向）に従って反転した。国見(秋月軍医長)は北方反転を聞いて心底安堵したという。10月25日午前7時、秋月以下前衛艦隊は小沢治三郎中将が指揮する機動部隊本隊と合流した。各艦は空母を中心とした輪形陣を組んだ。対空戦闘時の小沢機動部隊は第三航空戦隊の空母4隻（瑞鶴、瑞鳳、千歳、千代田）、第四航空戦隊の航空戦艦2隻（伊勢、日向）、軽巡洋艦3隻（多摩、五十鈴、大淀）、駆逐艦6隻（初月、秋月、若月、霜月、槇、桑）で編制され、さらに第一群（瑞鶴、瑞鳳、伊勢、大淀、多摩、初月、秋月、若月、桑）と、第二群（千歳、千代田、日向、五十鈴、霜月、槇）に分離していた。その1時間後、エンガノ岬沖海戦がはじまった。午前8時15分、直衛の零式艦上戦闘機18機がアメリカ軍約130機と交戦を開始、秋月は午前8時25分から対空射撃を開始した。なお「五十鈴」は8時35分に秋月被弾と記録している。「瑞鶴」を護衛中、午前8時50分に斜め後方からSB2Cヘルダイバーによる急降下爆撃により艦中央部に被弾する。缶室では高圧蒸気が噴出し、機関科70名(砲術科に応援を出したため規定82名以下)は第一缶室の3名を除き全滅した。「大淀」は、蒸気の噴出による白煙を記録している。午前8時56分、艦中央より黒煙と火災が発生。次の瞬間、酸素魚雷の誘爆による大爆発が起きた。艦中央部に大孔が開き、周辺の艦構造物は軒並み消失して「秋月」は完全に停止、今にも折れそうに軋んでいたという。すると右舷後方から魚雷1本が接近したが、この魚雷は艦尾をかすめた。乗組員が安堵したのも束の間、総員退避命令が出される。まもなく二つに分断されて沈没した。五十鈴戦時日誌では、0857「秋月眞中ヨリ折レル」　0859「秋月沈没」と記録した。沈没地点北緯18度15分 東経126度35分。一方で緒方（当時秋月艦長）は、戦史（大淀戦闘詳報）の記述とは異なり「爆発から総員退避命令を出すまで艦は停止していたが対空戦闘を継続し、いよいよ左舷側への傾斜が激しくなったので総員退避を命じた。その後も沈没まで15分から20分ほどはあった」と証言している。一方で緒方は、総員退去発令後に急激に左舷傾斜したため短艇を降ろす時間がなく、乗員はすべて海中に投げ出されたとも回想している。岡田一呂(少佐・砲術長)は、アメリカ軍機13機撃墜と主張している。秋月乗組員のうち183名が戦死し、生存者は「槇」に収容された。救助中に空襲があったため、全員を救助できなかったという。また「槇」は被弾により戦死者31名・負傷者38名（負傷36名とも）を出し、秋月乗組員4名も戦死した。この後、小沢中将は「瑞鶴」から「大淀」に脱出、同艦を旗艦とした。海戦の結果、空母4隻（瑞鶴、瑞鳳、千歳、千代田）、軽巡1隻（多摩）、駆逐艦2隻（秋月、初月）が沈没している。秋月生存者は戦艦伊勢に便乗し、本土へ帰投した。11月15日、秋月と初月の喪失と駆逐隊司令の戦死により第61駆逐隊は解隊、涼月と若月は第41駆逐隊（霜月、冬月）に編入された。だが第三次多号作戦に参加した「若月」は11月11日にオルモック湾で島風等と共に撃沈されており、41駆への編入は書類上のことである。12月10日、「秋月」と「初月」は秋月型駆逐艦、帝国駆逐艦籍より除籍された。