12 grudnia japońskie samoloty lotnictwa morskiego otrzymały rozkaz od armii japońskiej, by atakować „wszystkie jednostki pływające” na Jangcy powyżej Nankinu. Wiedząc o obecności USS „Panay” i statków handlowych, Japońska Cesarska Marynarka Wojenna zażądała potwierdzenia rozkazu, które przyszło zanim atak rozpoczął się o 13:27 tego dnia. Pomimo tego, że kilka dużych amerykańskich flag powiewało nad okrętami, a także jedna była wymalowana na dachu kabiny, japońskie samoloty kontynuowały ostrzał z broni pokładowej oraz bombardowanie obszaru dookoła USS „Panay”. Okręt otrzymał dwa trafienia bombami sześćdziesięciokilogramowymi zrzuconymi z trzech samolotów bombowych Yokosuka B4Y i został ostrzelany bronią pokładową przez dziewięć myśliwców Nakajima A4N. Po otrzymaniu kilku trafień bezpośrednich i wybuchach bomb w pobliżu kadłuba, zakotwiczony okręt zaczął tonąć. Załoga otrzymała rozkaz opuszczenia jednostki i dopłynęła do pobliskiego brzegu. USS „Panay” zatonął o 15:54. Trzech marynarzy zginęło, a czterdziestu trzech i pięciu cywilów zostało rannych. Na pokładzie kanonierki było obecnych dwóch kamerzystów: Norman Alley (Universal News) i Eric Mayell (Movietone News), którzy nagrali ujęcia podczas ataku, a następnie z brzegu, gdy okręt tonął.