1937年9月10日，日本海军第2联合航空队进驻上海，开始对江阴阻塞线附近的中国舰队展开空袭。9月22日，日军18架战机从三个方向直扑"平海"号，力求炸沉这艘旗舰，中方各舰艇一齐开火，使日机一度无法靠近，但当第二批日机到达后，中国海军的防空火力逐渐难以抵挡，"平海"号多处中弹，但依然坚持抵抗。这一天的战斗持续6个小时左右，"平海"号自身伤亡28人，但它与友舰共同击落日机4架。
9月23日14时，日军先以9架92式攻击机压制江阴要塞的炮位，接着以12架94式轰炸机、14架96式轰炸机，以及"加贺"号航母上起飞的16架舰载机，集中攻击"平海"号。"平海"号周围弹落如雨，其中2枚60千克炸弹击中舰体。"平海"号不得不撤往南京，但日机紧追而来，分批轮番轰炸。鏖战中，"平海"号各炮炮管均因发射过量而烫手，但水兵们仍奋战不止，这一天又击落日机4架，同时被3枚炸弹炸穿机舱，江水涌入，官兵们争先恐后跳入水中堵塞漏洞。怎奈舰身进水太多，"平海"号舰体向左侧倾45度，吐着浓烟，搁沉于十二圩浅滩，而姊妹舰"宁海"号也在日军反复空袭中受损，于24日坐沉于八圩。
