На начало 1945 года уже значительное количество людей в панике спасались бегством от наступающей Красной Армии. Многие из них следовали к портам на побережье Балтийского моря. Для эвакуации огромного количества беженцев по инициативе командующего ВМС Германии Карла Дёница была осуществлена специальная операция "Ганнибал", которая вошла в историю как крупнейшая в истории эвакуация населения морем. Во время этой операции почти 2 миллиона человек мирного населения были эвакуированы в Германию - на больших судах, как "Вильгельм Густлофф", а также на сухогрузах и буксирах.
Таким образом, в рамках операции "Ганнибал" 22 января 1945 года "Вильгельм Густлофф" в порту Гдыни начал принимать на борт беженцев. Сначала людей размещали по специальным пропускам — в первую очередь несколько десятков офицеров-подводников, несколько сот женщин из флотского вспомогательного дивизиона и почти тысячу раненых солдат. Позже, когда в порту собрались десятки тысяч людей и ситуация осложнилась, начали впускать всех, предоставляя преимущество женщинам и детям. Поскольку запроектированное количество мест были всего 1500, беженцев начали размещать на палубах, в переходах. Женщин-военнослужащих разместили даже в пустом бассейне. На последних этапах эвакуации паника усилилась настолько, что некоторые женщины в порту в отчаянии начали отдавать своих детей тем, кому удалось подняться на борт, в надежде хотя бы таким образом их спасти. Под конец, 30 января 1945 года, офицеры экипажа судна уже перестали считать беженцев, количество которых перевалило за 10000.
По современным оценкам на борту должно было находиться 10582 человека: 918 курсантов младших групп 2-го учебного дивизиона подводных лодок, 173 члена экипажа судна, 373 женщины из состава вспомогательного морского корпуса, 162 тяжелораненых военнослужащих, и 8956 беженцев, в основном стариков, женщин и детей.
Когда в 12:30 "Вильгельм Густлофф" в сопровождении двух кораблей охранения наконец отошёл, на капитанском мостике возникли споры между четырьмя старшими офицерами. Кроме командующего судном капитана Фридриха Петерсена, призванного из отставки, на борту находились командир 2-го учебного дивизиона подводников и два капитана торгового флота, и между ними не было согласия относительно того, каким фарватером вести судно и какие меры предосторожности принимать относительно подводных лодок и авиации союзников. Был выбран внешний фарватер. Вопреки рекомендациям идти зигзагом, чтобы осложнить атаку подводных лодок, было решено идти прямым курсом со скоростью в 12 узлов, поскольку коридор в минных полях не был достаточно широким и капитаны надеялись таким образом быстрее выбраться в безопасные воды; кроме того, корабль испытывал недостаток топлива. Торпедолов TF-19 вернулся в порт Гдыни, получив повреждение корпуса при столкновении с камнем, и в охранении остался только один миноносец "Лев". В 18:00 поступило сообщение о конвое тральщиков, который якобы шёл навстречу, и, когда уже стемнело, было приказано включить ходовые огни, чтобы предотвратить столкновение. В действительности же никаких тральщиков не было, и обстоятельства появления этой радиограммы так и остались невыясненными до сих пор. По другим данным, секция тральщиков вела траление навстречу конвою, и появилась позднее данного в оповещении времени.
Когда командир советской подводной лодки С-13 А.И.Маринеско увидел ярко освещённый, вопреки всем нормам военной практики, "Вильгельм Густлофф", и в течение двух часов следовал за ним в надводном положении, выбирая позицию для атаки. Обычно субмарины того времени были неспособны догнать надводные корабли, но капитан Петерсен шёл медленнее проектной скорости, учитывая значительное переполнение пассажирами и неуверенность относительно состояния корабля после многолетней бездеятельности и ремонта после бомбардировки. В 19:30, так и не дождавшись тральщиков, Петерсон дал команду потушить огни, но уже было поздно - Маринеско выработал план атаки.
Около девяти часов С-13 зашла со стороны берега, где её менее всего могли ожидать, и, из надводного положения, с дистанции менее 1000 м. в 21:04 выпустила первую торпеду с надписью "За Родину", а затем ещё две - "За советский народ" и "За Ленинград". Четвёртая, уже взведённая торпеда "За Сталина", застряла в торпедном аппарате и едва не взорвалась, но её удалось обезвредить, закрыть люки аппаратов и погрузиться.
В 21:16 первая торпеда попала в носовую часть судна, позже вторая взорвала пустой бассейн, где находились женщины флотского вспомогательного батальона, а последняя ударила в машинное отделение. Первой мыслью пассажиров было, что они наскочили на мину, но капитан Петерсон понял, что это была субмарина, и его первыми словами было: "Вот и всё". Те пассажиры, которые не погибли от трёх взрывов и не утонули в каютах нижних палуб, в панике бросились к спасательным шлюпкам. В этот момент оказалось, что приказав закрыть, согласно инструкции, водонепроницаемые отсеки в нижних палубах, капитан нечаянно заблокировал часть команды, которая должна была заняться спуском шлюпок и эвакуацией пассажиров. Поэтому в панике и давке погибло не только много детей и женщин, но также многие из тех, кто выбрался на верхнюю палубу. Они не могли спустить спасательные шлюпки, потому что не умели этого делать, к тому же многие шлюпбалки обледенели, а судно уже получило сильный крен. Общими усилиями команды и пассажиров некоторые шлюпки удалось спустить на воду, и все же в ледяной воде оказалось много людей. От сильного крена судна с палубы оторвалась зенитная установка и раздавила одну из шлюпок, уже полную людей. Примерно через час после атаки "Вильгельм Густлофф" полностью затонул.
Миноносец "Лев" первым прибыл на место трагедии и начал спасение уцелевших пассажиров. Поскольку в январе температура уже была −18 °C, оставалось всего несколько минут до того, как наступало необратимое переохлаждение организма. Несмотря на это, кораблю удалось спасти 472 пассажира со шлюпок и из воды. На помощь также подошли корабли охранения другого конвоя - крейсера "Адмирал Хиппер", который тоже, кроме команды, ещё имел на борту около 1500 беженцев. Из-за опасения атаки субмарин он не остановился и продолжал удаляться в безопасные воды. Эсминцу Т-38 удалось спасти ещё 179 человек. Немногим больше чем через час новые корабли, которые пришли на помощь, смогли выловить только мёртвые тела из ледяной воды. Позже малый посыльный корабль, который прибыл на место трагедии, неожиданно нашёл, через семь часов после потопления лайнера, среди сотен мёртвых тел незамеченную шлюпку и в ней живого младенца, закутанного в одеяла, — последнего спасённого пассажира с судна "Вильгельм Густлофф".
В результате выжить удалось, по разным оценкам, от 1200 до 2500 человек из немногим меньше 11 тысяч находившихся на борту. По максимальным оценкам, потери оцениваются в 9985 жизней.

24 августа 1942 года ледокол вышел с Диксона, выполняя рейс на Северную Землю. На борту находилось 104 человека (включая 47 человек экипажа, 32 военнослужащих, 11 полярников, 12 рабочих, 2 офицера), 349 тонн грузов (собаки, коровы, оснащение станции, провиант, топливо, стройматериалы). Целью рейса была замена персонала, пополнение запаса полярных станций на Северной Земле и организация новой станции на мысе Молотова.
На следующий день после выхода, 25 августа 1942 года, направляясь по курсу к мысу Оловянный, между островами Белуха, Центральный и Продолговатый в заливе Миддендорфа Карского моря, встретил немецкий тяжёлый крейсер "Адмирал Шеер", который вёл поиск союзнических караванов в рамках операции "Вундерланд". Крейсером командовал капитан Вильгельм Меендсен-Болькен. Предупреждения о возможном нахождении крейсера в Карском море поступили 24 августа от британского военного представителя в Архангельске и от персонала советской метеостанции на островах Гейберга, который видел 21 августа разведывательный самолёт Arado, но не были переданы экипажу ледокола; встреча с крейсером была неожиданностью.
Сигнальщик в 13 часов 17 минут заметил дым неизвестного корабля. Корабль приблизился. На немецком крейсере, с целью введения советских моряков в заблуждение, подняли американский флаг и передали сигналами ложное название корабля. После двадцатиминутного диалога, в котором немцами на русском языке запрашивались сведения о ледовой обстановке в проливе Вилькицкого, капитаном Качаравой принято решение следовать на полном ходу к острову Белуха (10 миль), для того, чтобы укрыть людей и груз. Была объявлена тревога: все бойцы заняли места у орудий, подготовлены средства пожаротушения и медицинской помощи, отправлена радиограмма: "Встретили иностранный крейсер. Наблюдайте за нами". Радиостанция штаба ГУСМП передала информацию о том, что ни американских, ни японских военных кораблей в акватории моря находиться не может.
На "Адмирале Шеере" была включена аппаратура радиопомех, поднят немецкий военно-морской флаг. Крейсер потребовал прекратить радиопередачи и лечь в дрейф, затем был дан предупредительный выстрел. В 13 часов 45 минут была даны радиограммы: "Началась канонада, ждите", затем "Нас обстреливают". "Сибиряков" (два 76-мм зенитных орудия) несмотря на огромное превосходство противника в вооружении (6 орудий калибра 283-мм, 8 орудий - 150-мм, 6 орудий - 105-мм, плюс малокалиберная зенитная артиллерия и два 533-мм четырёхтрубных торпедных аппарата) начал обстрел крейсера с дистанции 64 кабельтовых (11.8 км.). Снаряды "Сибирякова" повредили неукрытые зенитные орудия, покосили орудийную прислугу. Ответный огонь крейсера: из 27 снарядов главного калибра в 6 залпах 4 попали в цель. Первым попаданием снаряда снесло фор-стеньгу и повредило радиостанцию (перешли на аварийный передатчик), систему телефонной связи, вторым снарядом накрыло корму, мощный взрыв выбросил высоко в воздух тела бойцов, коробки груза, элементы кормы, кормовых орудий, шлюпок, - около тридцати человек погибло. Третий снаряд попал на носовую палубу, взорвались бочки с бензином (около 300 штук), из-за чего обгорели многие находившиеся на борту. К дымовой завесе, выставленной ледоколом, прибавился дым мощного пожара. Четвертый снаряд угодил в ботдек и взорвался в котельном отделении (левый котел вышел из строя). Ледокол полностью потерял ход и дал дифферент на нос.
В 14 часов 05 минут по приказу комиссара старший механик Бочурко открыл кингстон. Комиссар и старший механик погибли вместе с кораблем. Последнее уцелевшее орудие продолжало обстрел вражеского крейсера с дистанции в 2,2 мили. В 14 часов 30 минут крейсер, подавив огневую точку, прекратил шрапнельный огонь и подошёл к месту, где находился тонущий ледокол. Бой крейсера с ледоколом продолжался 43 минуты. Из двух шлюпок со спасшимися одну немцам удалось потопить. К оставшейся шлюпке был выслан катер для поиска возможных данных о караванах, ледовой обстановке, кодов, шифров. В шлюпке немецкими моряками были обнаружены 28 человек, из которых 18 человек были захвачены в плен. Оказавший сопротивление матрос Матвеев был расстрелян, несколько человек отказалось от эвакуации на немецкий крейсер, выпрыгнули за борт и остались в воде. Около 15 часов ледокол начал быстро погружаться под воду, образуя воронку. Моряки крейсера фотографировали эвакуацию и погружение «Сибирякова».
Кочегару Вавилову удалось добраться до острова Белуха. В сентябре он был замечен с борта парохода «Сакко» и 29 сентября, через 32 дня, эвакуирован с острова самолетом.
13 человек из плененных выжили в немецких лагерях и были освобождены после окончания войны.