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1944年（昭和19年）4月上旬、「雷」はサイパン島およびメレヨン島への輸送に従事する特設運送船「山陽丸」（大阪商船、8,360トン）の護衛を行っていた[58]。「雷」が「山陽丸」とともにサイパン島に向かっているころ、アメリカの潜水艦ハーダー（USS Harder, SS-257）が4月13日午後に浮上し、メレヨン島に針路を向けていた[61]。しかし、日本機に発見されて潜航する[61]。潜望鏡深度に設定後の16時35分すぎ、ハーダーは駆逐艦のマストを発見した[61]。相手は10ノットから15ノットの速力で接近していると判断された[61]。 「雷」が特段ハーダーに気付いた様子はなく、ハーダーは「雷」とほぼ垂直になるような態勢に持ち込むことができた[63]。18時59分、彼我との距離が900ヤードになったところでハーダーは魚雷を深度6フィートに調整の上、2本ずつ二度にわたって計4本発射しそのうちの2本が「雷」に命中した[64]。魚雷が命中した「雷」は黒煙と火災に包まれて30度に傾斜し、ハーダーは急速に右に舵を切ったあと減速し、潜望鏡からこの状況を撮影した[65]。船体が二つ折れとなった「雷」は、脱出を図った乗員を巻き込みつつ4分ほどで沈没した[66]。「雷」の沈没位置は北緯10度13分 東経143度31分と記録されている[67]。日本側記録、グアム南南東北緯10度0分 東経143度48分[17]。