日军飞机的侦察是一个信号，中山舰官兵预感到一场恶战将要来临。果然，大约在11点多，九架日军飞机分作两个小分队，呼啸着飞抵中山舰上空。舰上响起警报，萨师俊的令旗升起，但日机并未攻击，只是高飞盘旋了五分钟，又一溜烟飞走了。
下午3点，六架日机飞临中山舰上空，随即排成一字形，鱼贯俯冲而下。一场江空大战无可避免了。3点06分，电讯官张嵩龄向海军部发出最后一份电报，报告中山舰与日军交战。
攻击中山舰的飞机是日本海军第十五航空队水上轻型轰炸机群。这场江空大战，进行了七十五分钟，六架日机轮番在较高的空域对中山舰投弹轰炸。长江上升起一个个水柱，浪花四溅。中山舰在浪头上起伏，迎战日机，舰首、舰尾和左右两舷火炮齐发，向日机反击。
起初，日机为避开炮火，只在高空投弹，不敢低飞俯冲，炸弹没有命中舰体。舰上火炮也因日机飞行太快，没能击中日机。激战间，舰首高射炮因发弹过热，发生卡壳，被迫停射。左右两舷机关炮也出了故障。日机见高空水平飞行进行轰炸不能命中，又见舰首火炮哑然失声，便开始轮番急速俯冲，低空投掷炸弹。
低空投弹命中率很高。第一颗炸弹落在舰尾左舷，在水下爆炸，炸裂了船壳，军舰进水，舵机损坏，转动失灵，无线电房受损。
紧接着，第二颗炸弹落在右舷水中爆炸，前锅炉舱右舷水线下的船壳震破，大量进水，堵漏无效，炉舱和机舱都有损坏。
第三颗炸弹投偏了一些，落在右舷水中，爆心离中山舰较远，舰体受损不大。
第四颗炸弹又落在左舷水中爆炸，后锅炉舱水线下的船壳严重破裂，江水急灌进来，堵漏无效，短短三分钟，江水漫过一米多，锅炉中的燃煤被水淹熄，军舰失去动力，舰体开始左倾。
第五颗炸弹更加凶狠，命中舰首，穿透驾驶台，前望台的一磅炮被炸翻，八名炮手牺牲，弹药箱爆炸，大火弥漫，海图室和舵房被炸起火，舰体逐渐失去重心，颠簸震颤，无法控制。
萨师俊右腿被炸飞了，左腿也被炸伤，左臂重创，遍体血肉模糊。他忍着巨痛，嘱咐官兵们努力杀敌。副舰长吕叔奋、枪炮长魏振基和电讯官张嵩龄，会同全舰官兵，堵塞破损舰体，扑灭舱室火灾，救护受伤人员。
此时，中山舰在波涛中旋转，向下游漂流，完全失控。大量江水急剧涌入舱室，舰体不断向左倾斜，倾到四十度时，突然舰首稍昂，随即轰然一声巨响，水柱冲天，英雄的中山舰，终因负伤过重，于下午4点半左右沉没在金口龙床矶。
中山舰沉没前，萨师俊靠在瞭望台残破的栏杆上，继续指挥作战。副舰长吕叔奋奔到他身边，听到坐在血泊中的舰长，还在下令将军舰搁浅，以防沉没。可惜舰身机件被毁，不能转舵，只向江边靠拢了一段，无法驶向搁浅处。萨师俊命令受伤官兵尽快离舰，他自己要与舰共存亡。吕叔奋和士兵把他架离军舰，乘舢舨驶向江岸，日机又结队而来，对舢舨疯狂扫射。两只舢舨沉没了，萨师俊头部和喉部又中几弹，和许多官兵一起葬身在殷红的江水之中。吕叔奋和魏振基等十多人躲过了日机的扫射，挣扎到岸上，成为中山舰的幸存者。
武汉会战历时四个半月，以中国军队主动撤出武汉而告结束。日军占领了武汉三镇。但是，日军未能实现其战略企图，取得预期的胜利。日军大本营原以为迅速攻占武汉，就能迫使中国政府投降，“结束对中国的战争”。但是，中国政府没有因武汉和广州的失守而投降。31日，蒋介石发表《告全国同胞书》，表示要坚持持久抗战、全面战争和争取主动。
武汉会战对整个战局产生了重大影响，日军在这次会战中，有近十万人死亡、负伤或患病，全面进攻的锐气大大受挫。日军不得不重新调整对华战略。中国军队以四十万人伤亡的巨大牺牲，换来了战略相持的阶段。
武汉会战，是中华民族反对外国侵略的辉煌一页，也是武汉城市史上的光荣篇章。