次杨朔铭选对了人——肖永林命令潜艇再次转向并将艇首的鱼雷发shè管迅速装填完毕，鱼雷再次瞄准“八云”号的舰体中部，发shè了出去。
凌晨1点16分，所有4发鱼雷全部准确命中目标并引爆，鱼雷的爆炸终于撕破了近万吨的“出云”号和“八云”号装甲巡洋舰的巨大舰体，海面上顿时烈焰冲天，浓烟滚滚，“出云”号装甲巡洋舰在不到10分钟的时间里即告沉没，舰上包括舰长在内的21名军官和629人丧生，只有22人生还。肖永林在潜望镜里注视着“出云”号的沉没，下令保持安静并迅速撤离。由于担心日本人的追击，肖永林没有进行丝毫停留，因而没有顾得上观看第三次攻击的战果。事实上此时根本没有追兵，日本人几乎没有意识到这艘中国潜艇的存在。而“八云”号和“出云”号一样，也被两枚鱼雷同时击中，在剧烈的爆炸声中粉身碎骨，舰上官兵无一生还。
此时的海cháo方向突然改变了，撤离佐世保湾变得困难重重。凌晨1点28分，“飞鱼9”号潜艇沿着原路返回海峡。肖永林向艇员宣布战果：击沉一艘大型装甲巡洋舰，重创另一艘。肖永林此时并不知道，中国潜艇在此次战争期间击沉的日本各类舰船中，“出云”号的吨位排名第一，这也是仅有的两艘被华军潜艇击沉的日本帝国海军装甲巡洋舰。
2时25分，“飞鱼9”号重新进入濑户内海。而过了不久，尽管日本人严密封锁了消息，英国人的报纸还是宣布佐世保港遭到了袭击。1921年7月1日的英国《泰晤士报》作出了如下报导：
“根据本报记者最新消息以及今天早间的报道，日本海军‘出云’号装甲巡洋舰
（二百五十七）同路殊途(3/9)