Con tàu đã sớm bị phát hiện bởi tàu S-13, dưới sự chỉ huy của thuyền trưởng Alexander Marinesko. Tàu S-13 đã thả ba quả ngư lôi và cả ba quả ngư lôi đã trúng vào bên cạnh Tàu Wilhelm Gustloff lúc nó đang ở khoảng 30 km (19 dặm) ngoài khơi giữa Großendorf và Leba ngay sau thời điểm 21h:00 (CET). Marinesko dự định để bắn bốn quả ngư lôi nhưng quả thứ bốn không nổ, phải gỡ khỏi bệ bắn. Quả ngư lôi đầu tiên trúng vào mũi tàu. Quả ngư lôi thứ hai trúng vào bể bơi, quả thứ ba trúng ngay trước phần giữa tàu, vào phòng máy, đúng khu vực ống khói, và từ đó làm tàu mất điện. Con tàu đã gửi điện về cảng, và cố quay mũi tàu về. Bi kịch tàu Gustloff lúc này chỉ mới bắt đầu.

Trong hoảng loạn sau đó, nhiều hành khách bị chà đạp vì vội vàng xuống các xuồng cứu sinh và áo phao. Một số thiết bị đã bị mất, là kết quả của cơn hoảng loạn. Nhiệt độ nước ở Biển Baltic vào thời gian này của năm thường là khoảng 4 °C (39 °F), tuy nhiên, đây là một đêm đặc biệt lạnh, với một nhiệt độ không khí của -18 đến -10 °C (-0 đến 14 °F) và băng nổi khắp mặt nước. Nhiều người chết ngay là do hoặc trực tiếp trúng ngư lôi hoặc chết đuối vì nước lạnh ùa vào. Những người khác đã bị dẫm đạp trong hoảng sợ lúc đầu ngay tại cầu thang và sàn tàu, và nhiều người nhảy xuống biển Baltic đầy băng. Có những báo cáo rằng có em bé níu được vào người lớn và những bà mẹ cố gắng cứu con của họ, mặc dù sóng lớn liên tục kéo chúng ra khỏi mẹ chúng, nhưng phần lớn đã thất bại, không thể và không bao giờ tìm thấy lại được. Trẻ nhỏ mặc áo phao cỡ dành cho người lớn thì bị chết đuối vì bị chúc đầu xuống dưới nước và dốc ngược chân lên trong không khí, do áo cứu sinh không vừa.

Chưa đầy 45 phút sau khi bị tấn công, Tàu Wilhelm Gustloff nghiêng về một bên, rồi chúc mũi tàu xuống dưới nước, tới lúc nghiêng 36 độ, thì trượt thẳng xuống nước, ngập trong 44 mét (144 ft) nước. Lực lượng Đức đã cứu một số những người sống sót từ vụ tấn công này: Tàu ngư lôi T-36 cứu được 564 người; ngư lôi thuyền Lowe cứu được 472 người, Tàu dò mìn M387: 98 người; Tàu dò mìn M375: 43 người; Tàu dò mìn M341: 37 người, tàu hơi nước Göttingen: 28 người; Tàu phát hiện ngư lôi (Torpedofangboot) TF19: 7 người; Tàu hàng Gotland chở hang: 2 người, và tàu tuần tra V1703 (Vorpostenboot) đã cứu được 1 em bé.