损失惨重但给日军造成了更加惨重损失的北华军鱼雷机群齐齐侧身翻飞，在狂飙掀腾起的空气涡流中犹如数十道闪电般掠海夺空地扑向正在被海水缓缓吞噬的扶桑号另一侧的山城号战列舰。由于日军察觉北华军机群以扶桑号作为重点攻击目标，因此游弋舰队两侧的驱逐舰和轻型巡洋舰都众星拱月地护卫在扶桑号身边，使得此时遭到攻击的山城号战列舰只有寥寥三四艘驱逐舰护卫着，防空火力远远低于扶桑号。山城号舰长小林仁大佐眼睁睁地看着二十多架鱼雷机几乎是贴着海面在奔雷追风般地扑向自己的座舰，惊得急忙嘶声吼叫道：“所有高射炮和高射机枪，全力开火！”
小林大佐的命令纯粹是废话，因为舰上的8门127毫米高射炮、84门25毫米高射机炮、8挺12.7毫米高射机枪已经在全力向半空中奔袭来的北华军鱼雷机群倾泻着暴风般的弹雨，上百道电焊弧光般的弹火在山城号上空形成了一张耀眼夺目的防空火力网，无数的炮弹烟团在半空中密密麻麻地绽放爆裂开，璀璨星河般的弹火呈半球状地包裹着整个军舰。冲向这张近乎密不通风火力网的十多架鱼雷机全部是已经投完鱼雷的，一路上接连不断地被打得凌空爆炸或解体成漫天翻卷的碎片，后续携带着鱼雷的鱼鹰在漫天漩涡般翻滚卷动的火焰间前赴后继，急速飞向山城号，11架拥有鱼雷的鱼鹰被击落3架，剩下的8架在三分钟内分成三波从三个方向对着山城号连续发射鱼雷。体型犹如一座海上钢铁小岛的山城号竭力地躲避着破浪飞梭而来的鱼雷，2条鱼雷与山城号擦肩而过、失之交臂，另外的6条鱼雷则结结实实地命中了山城左右两舷的舰艏、舰舯、舰艉共四个地方。冲击波掀起惊涛骇浪的巨大爆炸中，山城号在浑身两侧几乎同时绽放开的六团火球中淹没进了烈焰黑烟中，金属破裂和钢铁扭曲的嘎吱声令人毛骨悚然地响彻全舰。这6条威力强大的电动氧气鱼雷对这艘三万六千吨的艨艟巨舰造成了巨大的破坏，虽然舰身上层建筑基本没有什么损失，但主装甲带则被炸得支离破碎，几乎所有的隔水舱都被海水大量灌入，汹涌的海水淹死了上百名在底舱里的日军水兵，近半的蒸汽轮机和锅炉被海水浇灭，使得军舰动力锐减了五分之二，航速从25节陡然降到了不足15节。
但这么一艘3.6万吨级巨舰的生命力是很顽强的，尽管左右两舷的主装甲带被鱼雷炸得满目疮痍，军舰底舱大量被灌入海水，使得吃水线极度加深，海水距离甲板线已经不足半米，舰上的日军水兵奋力用消防栓抽海水灭火，同时竭力抢修被鱼雷炸开的装甲缺口，使得体无完肤的山城号稳稳地继续漂浮在海面上。而在另一边，分崩离析的扶桑号则被海水缓缓吞噬。
黄新瑞叹息一声，他重新计算了一下战损情况，出击的36架Bf-109战斗机和48架鱼雷机此时只剩下13架Bf-109和12架鱼雷机，并且所有的鱼雷机都投完了鱼雷，对山城号无法继续进攻，无法把这艘已经滑落到地狱门口的巨舰彻底推进万劫不复的深渊。尽管黄新瑞和飞行员们都很不甘，但以损失23架战斗机、36架鱼雷机的代价取得了击沉一艘战列舰、重创一艘战列舰、击落敌军护航飞机30多架的战果已经是非常辉煌了。黄新瑞随后下令撤退回渤海号航母和对马岛机场。与此同时，遭到重创的日军舰队也转向撤回本土。日本海军本来就不想增援对马岛，即便出击也只是象征性的，如今既然已经付出了一艘战列舰的代价，就可以向天皇和陆军作为交代了。
这场北华海军航母舰载机首次出击的海战结束后，黄新瑞等飞行员们事后认真分析和反复研究了作战过程，得出了一个很重要的教训和经验：
北华海军虽然已经目光长远地认识到了制空权对于海战的重要性，也认识到航母已经取代战列舰成为海军和海战的主角，但也犯了一个重大错误。北华海军因为屡屡使用鱼雷机重创日本海军，因此过于依赖鱼雷机，没有发展舰载俯冲轰炸机，海军也没有装备俯冲轰炸机。这使得在海战中，北华军的飞机只能用鱼雷攻击敌方军舰，而不具备用炸弹轰炸敌方军舰的能力，结果就导致北华军的飞机可以炸穿敌方军舰的装甲，却无法摧毁敌方军舰的上层建筑，使得敌方军舰哪怕即将沉没，舰上的高射炮和高射机枪都可以持续不停地开火，从而给北华军的鱼雷机造成重大损失。
通过实战而得到的教训和经验是最为宝贵的，因此北华海军随后根据飞行员们的研究结论，向公主岭飞机工厂提出要求，要求把即将研制成功并装备给空军的Ju-87俯冲轰炸机（斯图卡）衍生出海军的舰载机款式，海军版的斯图卡可以在航母上起飞并用炸弹攻击敌方军舰，同时要求尽快把既能发射鱼雷又能投掷炸弹的He-111海军轰炸机研制成功。
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实际上，山城号最后并没有逃脱厄运。在抵达下关水道外延海域的时候，奉命在附近游弋警戒的一艘北华军的潜艇发现了一瘸一拐、狼狈不堪的山城号，这艘潜艇就是在上次对马岛海战中“临阵脱逃”的U-33号。
U-33号的新任艇长很清楚，自己一旦展开进攻，百分之百必死无疑，因为此时是白天，潜艇发射鱼雷后根本来不及下潜就会被对方的护卫军舰牢牢锁定，而潜艇在水下的速度也远远不可能跑得过水面舰艇。但这位艇长神色肃穆地对全体潜艇兵说道：“弟兄们，U-33号已经临阵脱逃过一次了，我们不能再临阵脱逃一次了。”
潜艇兵们一起肃然道：“愿和长官同生共死！愿和U-33号同生共死！”
U-33号潜艇舱内顿时弥漫起了一股壮烈的气氛。
人性是非常复杂的，在这股即将为国捐躯的悲壮气氛中，实际上也有一些不和谐的味道。U-33号的艇长知道，其实U-33号此时没有必要进攻，U-33号得到的命令和其他潜艇是“尽量在夜间攻击敌方运输舰艇，不鼓励潜艇攻击敌方水面战舰，除非有安全脱离的很大把握”。但军规是军规，惯例则是约定俗成的。在东方军队里，“杀敌第一、自保第二”才被视为是真正的军人精神。U-33号此时放弃进攻，是不违反军规的，但毋庸置疑，U-33号返航后会遭到鄙夷和轻视，因为“用一艘800吨的潜艇换来敌军一艘36000吨的战列舰是完全值得的”。U-33号的艇长知道上任艇长在对马岛海战中放弃进攻的后果，他不愿像上任那样身败名裂，与其落得最后在各方面的压力下自杀身亡，还不如壮烈牺牲。这也是他此时下令攻击的私心。
充满紧张而忙碌的备战气氛的U-33号潜艇舱里，一个刚刚入伍的、年仅十九岁的潜艇兵面如土色且难以置信地道：“艇长！我们真的要攻击吗？敌方可是一整支舰队啊！并且现在是白天啊！我们一旦攻击，就必死无疑了！”
艇长铁青着脸：“难道我们就放过这么大好的机会？”
几个持有同样想法的潜艇兵也都颤抖着嘴唇试图制止艇长：“艇长！上级命令我们在夜间攻击日军的运输船，没有让我们攻击日军的水面战舰呀！并且，现在是白天！肯定会死的！”
“艇长，我不想死！”说话的潜艇兵哭了起来，“我不想再也见不到我的爹娘...”
“艇长，我也不想死，我刚刚订婚了...”说话的潜艇兵颤抖着，语气和眼神近乎哀求。
“艇长，我们难道必须要死吗？这样...是不是太没有价值了？”
艇长厉声道：“用我们一艘潜艇换来一艘战列舰，这就是价值！还有，从你们成为潜艇兵的第一天开始，就应该明白，这艘潜艇极有可能就是你们的坟墓！每一次出航都极有可能就是最后一次出航！陆军在上战场前要有随时马革裹尸的心理准备，而我们海军在上战场前就要有随时葬身鱼腹的心理准备！”他隐隐感觉反对进攻的气氛正在弥漫传染，因此取出艇长专有的防止潜艇兵叛变的冲锋枪，“谁再反对攻击，我立刻打死他！反正我们必死无疑了！早死晚死又有什么区别？我是艇长！你们如果违抗我的命令，即便平安回到基地，等待你们的也是严厉的军法！通讯兵！给济州岛基地发送电报，就说我艇发现日军一艘受重伤的战列舰，为击沉敌舰，我艇全体官兵一致同意展开进攻！”
通讯兵在电台前十指如飞：“明白！”
艇长冷冷地看着神色各异的潜艇兵：“大家现在都可以放心了！我们是在主动攻击中被击沉的，我们的家人会得到军队和政府的抚恤的。现在，大家请都回到自己的战斗岗位上去！”
在潜艇舱里回荡着低低的抽泣声中，U-33号在水下悄悄接近身受重伤的山城号战列舰，抢占了有利攻击位置，随即在上午9时45分整用艇艏的4具鱼雷发射管向山城号发射了第一波的4条鱼雷。不等第一波的鱼雷命中山城号，艇长命令鱼雷操作手立刻装填下一波鱼雷，继而在五分钟内发射了第二波的4条鱼雷。
先后被两波8条鱼雷里的6条给命中右舷主装甲带的山城号在惊天动地的大爆炸中彻底分崩离析，右舷在风雷滚动的爆炸中被完全炸穿，整个军舰在短短十五分钟内就彻底沉没了，全舰1200多名舰员毙命了700多人，大部分都是在落水后被山城号沉没时所形成的巨大漩涡给吸入海底而溺毙的。舰队司令高桥大将当时也在山城号上，山城号沉没时，高桥大将把自己反锁在舰长室里，随着山城号一起沉入了大海。至此，日本海军已经损失了三艘战列舰，第一艘陆奥号是被偷偷潜入濑户内海的海狼1号和海狼2号给偷袭击沉的，而扶桑号和山城号则是在两个小时内先后沉没的，虽然山城号是被U-33号潜艇突袭击沉的，但之前已经被北华军的鱼雷机炸成了重伤。扶桑号和山城号的沉没，是武器发展的必然结果，再次证明了昔日的海上霸主战列舰已经完全不是新崛起的海军航空兵力量的对手。
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山城号沉没时，U-33号在下潜过程中被日军的驱逐舰用密集的深水炸弹炸得粉身碎骨，全艇50名官兵无一幸免。三十分钟后，一架北华军的德式Ar196型水上飞机赶到交战海域，日军舰队已经完全撤回了濑户内海，海面上遍布满了油污和碎片残骸，绝大部分是山城号的，少部分是U-33号的。这架水上飞机用无线电向济州岛基地汇报：“日军山城号战列舰确认已经沉没。”汇报完，这架飞机随后向海面上扔了一个花环，哀悼U-33号的五十名潜艇兵。
济州岛海军基地，获悉战报的沈鸿烈、魏子浩等高级军官在少许稍纵即逝的感伤后随即便都沉浸在了庆祝胜利的狂喜中，因为“一艘800吨的潜艇换来敌方一艘36000吨的战列舰，己方50条人命换来敌方700多条人命，完全是值得的”。战争期间，人命只是对比数据而已。