日机投中的第一枚炸弹在舰尾左舷爆炸，船壳破裂进水；紧接着第二枚炸弹在右舷爆炸；第三枚炸弹则在左舷附近水面爆炸，锅炉舱水线下的船壳破裂进水，三分钟后江水就漫过锅炉，军舰失去动力，舰体开始左倾。第四枚炸弹命中舰首，驾驶台被穿透，萨师俊舰长右腿被炸断，但他仍坚持指挥，不肯离舰。
此时的中山舰已经失去控制，并开始侧倾下沉。萨师俊被属下强行扶上舢舨，却遭到日机扫射，萨师俊与身边的两名水兵不幸遇难。是役，中山舰共阵亡官兵25人，舰体也于24日15时50分侧翻沉没。就在中山舰沉没的第二天，武汉沦陷。
1997年1月28日，中山舰被整体打捞出水，经修复后于2008年陈列在位于武汉中山舰博物馆。
