他4隻と特設砲艦1隻の船団を組み、9ノットでシンガポールに向けて航行中、5月8日午後8時40分頃に長崎県の男女群島に近い北緯30度45分東経127度40分﻿/﻿北緯30.750度東経127.667度﻿/30.750;127.667の東シナ海で、アメリカの潜水艦グレナディアー（SS-210）等による雷撃で浸水し約55分後に沈没した。
5月8日晚上7点35分，在东中国海男女群岛附近（30°45′N127°40′E﻿/﻿30.750°N127.667°E﻿/30.750;127.667），大洋丸号遭遇美军潜伏在该海域的潜舰长尾鳕号USSGrenadier(SS-210)（英语：USSGrenadier(SS-210)）攻击，发射4枚鱼雷，命中3枚，大洋丸爆炸起火，在8点40分沉没；八田与一逃生不及罹难。