1943年12月31日、ラムリー島がイギリス軍の小規模な部隊による襲撃を受けた。そのため独立混成第24旅団の一部のメルギーへの輸送が決定され、球磨と重巡洋艦足柄、青葉、駆逐艦浦波が1944年1月3日にシンガポールから出航し、ペナンで陸兵約2000名を乗せ1月6日にメルギーに到着した。また、この機会に航空部隊の雷爆撃訓練が3度実施された。続いて4回目の訓練のため球磨は浦波とともに1月11日にペナンから出航しペラク島沖へと向かった。その途中、ペナン島北西端ムカヘッド岬の270度17カイリで球磨はイギリスの潜水艦タリホーの雷撃に遭った。タリホーは距離1700メートルで7本の魚雷を発射し、雷跡を発見した球磨は取舵一杯で避けようとしたが11時45分に魚雷2本が命中した。タリホーの発射した魚雷は右舷側から球磨の後部機械室と艦尾の艦長室の前に命中し、11時52分には爆雷のものと思われる爆発が起き、午前11時57分(日本時間)に球磨は北緯05度26分 東経99度52分で艦尾から沈没していった。球磨の杉野修一艦長を含む生存者は浦波により救助されたが、乗員138人が戦死した。球磨は1944年（昭和19年）3月10日に除籍された。
竣工後すぐにシベリア出兵のためのシベリアへの日本軍の上陸を掩護する任務に就いた。続いて、旅順を拠点として関東州から青島にかけての中国沿岸の哨戒に当たった。球磨は1934年末ごろ、魚雷発射管と九四式水上偵察機のような水上偵察機を発進させるためのカタパルトを装備する改装を受けた。日中戦争が拡大し始めたため、球磨は中国海岸を哨戒し、中国中部へ日本軍の上陸を掩護した。1937年12月から1938年秋まで、青島を拠点とする伊号第一二一潜水艦から伊号第一二四潜水艦までの機雷潜戦隊の旗艦となった。1938年（昭和13年）6月26日、第四航空戦隊司令官鮫島具重少将は、第四航空戦隊旗艦を水上機母艦能登呂から球磨に変更した。8月1日、第四航空戦隊は第十三戦隊に改編される形で解隊された。鮫島少将は第十三戦隊（球磨、第11掃海隊、第2砲艦隊）司令官に補職され、球磨を第十三戦隊旗艦とした。
球磨は1917年（大正6年）7月31日に製造の訓令が出された。計画時の名称は「第1号中型巡洋艦」。同年8月20日附達で球(ク)磨(マ)と命名される。1918年（大正7年）8月29日佐世保海軍工廠で起工、1919年（大正8年）7月14日午前9時進水、1920年（大正9年）8月31日に竣工した。呉鎮守府籍。
1932年（昭和7年）9月8日から12月1日にかけて球磨は呉海軍工廠で近代化改装を受けた。主眼の一つは航空兵装の充実で、5番砲と6番砲の間に呉式二号(一型)射出機を装備し、九〇式水上偵察機1機を搭載した。水偵の揚げ降ろし用に後部マストにデリックが設けられ、後部マストは基部が三脚式になった。また作業用に射出機付近のシェルター甲板が右舷側に拡大された。艦橋は羅針艦橋の側壁と天蓋が固定式となり、ガラス窓が設置された。また艦橋上に3.5m測距儀が設置され、艦橋の側面左右に見張所が新設された。上部艦橋平面(羅針艦橋の1甲板下)は後方に拡大されて士官休憩室や作戦室を設置、旗甲板は羅針艦橋レベルに上げられた。また旗甲板の後方、前部マスト三脚内に無線電信室が新設された。その他に前部マスト中段の測的所の1段上に前部見張所が新設された。後部マスト三脚部に須式90cm探照灯2基(従来は1基)が装備され、その下に見張所も設置された。その他に短艇甲板が後方(後部魚雷発射管上)に延長され、長良型・川内型と同様に7番砲まで甲板が続く形になった。
参考文献にて抽気および抽気された空気の扱いについて説明されている。抽気を行わないときにはエンジンに吸入された空気"コア-フロー"エアは、9段の圧縮機を経て燃焼室に供給される。このときにはJ58は9段圧縮機を持つターボジェットとして動作する。高速飛行時には抽気経路が開き、一部の空気は4段の圧縮機を経たのみで後段5段を経ずに抽出され、燃焼室外周に設けられた6本のバイパスダクトを通過しタービンを経ずにアフターバーナーへ送られ、燃焼に用いられる。参考文献3ページ右上に示された特許文書の抜粋図がその説明である。この抽気を用いた燃焼系統は圧縮機から供給された空気を燃焼に用い、かつ燃焼ガスでタービンを駆動しないため一種のモータージェットであるが、圧縮機を経由した空気を使っているためにラムジェットではない。参考文献にて開発者が抽気を行う理由を記述している。"With a little knowledge of compressor aerodynamics I could see at Mach 3 the front stages would be deep install from too low airflow and the rear stages were choked preventing the airflow to increase."とあるのが言及箇所である。すなわち、マッハ3での飛行時には圧縮機後段がチョーク状態となり空気流量が制約されるが、この流量では前段が流量過少となって失速を生じる。この流量と失速の問題は始動時にも生じる。これを回避するために抽気機構を設けた。参考文献に"The same problem exists when starting the engine and P&W solution was to open “start” bleeds."とあるとおりである。高速飛行時に抽気系での燃焼を行っているとき、J58は低圧力比系（抽気系）と高圧力比系から成る複合ジェットエンジンとなっている。開発者はこのシステムをRecover Bleed Air engine（抽気回収型エンジン）と名づけている。なお、抽気系統はエンジン本体に含まれており、このページの「空気流制御デザイン」の図には記されていない。