W drodze powrotnej w wyrzutniach okrętu znajdowała się już jedynie jedna torpeda.
Japoński dowódca Meiji Tagami sądził początkowo, że wykrył dwa amerykańskie pancerniki, dopiero po chwili poprawnie zidentyfikował klasę jednostek, wciąż jednak uważał, że trafił na okręty Stanów Zjednoczonych. W efekcie postanowił zaatakować jedną z nich ostatnią pozostałą pod pokładem torpedą. Wystrzelona japońska torpeda trafiła w L-16 około 30 sekund po opuszczeniu wyrzutni, wywołując kilka ciężkich eksplozji w radzieckim okręcie. L-16 zaczął tonąć rufą, z dziobem uniesionym pod kątem 45 stopni. W ślad za pierwszą eksplozją nastąpiła kolejna, a po rozwianiu dymu na powierzchni morza pozostała jedynie plama oleju. Radziecki okręt zatonął wraz z 56 członkami załogi, w tym naturalizowanym Amerykaninem rosyjskiego pochodzenia – pełniącym podczas rejsu funkcje tłumacza i oficera łącznikowego, który wszedł na pokład okrętu w Unalasce.