Trzy torpedy trafiły „Gustloffa” kwadrans po godzinie dziewiątej wieczorem, kiedy statek mijał latarnię morską Stilo na wschód od Łeby. Wystrzelone zostały przez radziecki okręt podwodny S-13 dowodzony przez komandora podporucznika Aleksandra Marineskę. Pierwsza rozerwała poszycie dziobu, druga trafiła w środek statku na wysokości basenu pływackiego, a trzecia w maszynownię. Zginęły niemal wszystkie (oprócz dwóch) kobiety ze służby pomocniczej, które zajmowały dno osuszonego basenu. Ocalały tylko dwie.
Basen na „Gustloffie”, rok 1938
Okręt przechylił się na lewą burtę. Ludzie biegali i tłoczyli się w panice. Z pokładu spacerowego oszklonego pancernymi szybami w zasadzie nie można było wydostać się na zewnątrz, w większości szalup były zamarznięte bloczki, więc nie dało się ich spuścić na wodę, z kolei te odczepione wcześniej spadły do morza. Inne poprzewracały się na falach z powodu dużego przeciążenia. Tymczasem na pokładzie trwała niemal bratobójcza walka, świadkowie wspominali o strzelaninie, wiele osób popełniło samobójstwo nie chcąc zamarznąć w lodowatej wodzie. Każdy, kto dostał się do wody, ginął w wyniku hipotermii w ciągu kilku minut. Około godziny 22:25 „Wilhelm Gustloff” całkowicie pogrążył się w morzu.
Niemieckie jednostki, które przybyły na ratunek wydobyły z wody jedynie 1215 żywych rozbitków. Szacuje się, że zginęło 6600 osób. To największa tragedia morska w historii ludzkości i największa znana liczba ofiar zatonięcia jednego statku. Część z nich została w tajemnicy pochowana w Łebie i Ustce.