Успешно отработав три срочных погружения, экипаж приступил к выполнению четвертого. В 14 час. 05 мин. командир «малютки» дал команду: «Срочное погружение! Поднять перископ! Погружаться на глубину 7 метров с дифферентом 2 градуса на нос!» Лодка стала уходить на глубину. Внезапно, дав резкий дифферент на корму, она перестала подчиняться экипажу. Несмотря на все усилия удержать субмарину в повиновении и произвести аварийное всплытие, «М-351» спустя 6 минут, приняв почти вертикальную «стойку», затонула на глубине 83 м.
Позже выяснится, что при срочном погружении не до конца закрылась захлопка (в результате ее конструктивных недостатков) шахты подачи воздуха к дизелям, хотя сигнал на табло в центральном посту показывал ее закрытое положение, что и ввело в заблуждение командира БЧ-5 инженер-капитан-лейтенанта Мигачева, открывшего после этого клапаны вентиляции средней группы системы главного балласта. И в 6-й дизельный отсек под давлением стала быстро поступать вода, затапливая его.
Поступившая из полузатопленного 6-го отсека вода через нарушенную давлением герметичность переборки стала проникать в 7-й кормовой отсек, в результате чего там произошло возгорание в электрощите, затем начался пожар. Четверо подводников, находившихся в отсеке: матросы Пинчук, Цимбал, Фокин и старшина команды электриков старшина 2-й статьи Коданев, приступили к борьбе за живучесть отсека и собственное выживание. В конце концов им удалось обесточить электрощит, что в аварийном отсеке оказалось непростым делом.
По сути, ребят в 7-м отсеке и экипаж спас от гибели старшина 2-й статьи Максимюк, который в критические секунды мгновенно соорентировался и вручную закрыл захлопку, после чего поступление воды прекратилось. Однако внутрь прочного корпуса уже было принято около 45 т забортной воды, которая из затопленного на две трети 6-го отсека продолжала поступать в 7-й. Возникла угроза полного их затопления и гибели находившихся там людей. И командир приказал покинуть аварийный отсек, благо работала связь. Моряки включились в ИДА и пробились через затопленный 6-й отсек в 5-й, где их ждали.
Не дожидаясь, пока о них вспомнят на берегу, подводники не сидели сложа руки. Под руководством командира они делали все возможное, чтобы поскорее вырваться из подводного плена. С лодки выпустили на поверхность аварийный буй. Пытаясь выровнять дифферент, все моряки перешли в первый отсек, туда же снесли различные тяжелые предметы, опустошили кормовую дифферентную цистерну. Однако это не помогло сдвинуть с места глубоко увязшую кормой в грунт лодку. Не удалось пустить в ход и главный осушительный насос, расположенный в центральном посту, чтобы откачать воду из кормовых отсеков. Чтобы помочь водоотливному насосу, весь личный состав, встав цепочкой, стал подручными средствами черпать воду в корме и передавать ее в трюм 1-го отсека, где она мало-помалу откачивалась за борт. Но для этого приходилось поднимать воду вручную на высоту 40-50 м (напомним, что лодка «зависла» в положении около 45 градусов). Так, в изнурительной работе, прошли у подводников первые сутки подводного плена, начались вторые.
Пропустив через свои руки около 12 т воды, экипаж окончательно лишился сил, но желаемого результата не достиг. Зато концентрация углекислого газа в отсеках увеличилась до 3%. Подводникам не хватало воздуха. К тому же люди стали замерзать: температура внутри прочного корпуса составила 7 градусов (как и за бортом на 80-метровой глубине). А водолазного белья, как и легководолазных резиновых комбинезонов, на борту не оказалось. Так что в случае необходимости самостоятельно покидать затонувшую субмарину для многих подводников, не имеющих индивидуальных спасательных средств, было неосуществимо. А значит, они были обречены на гибель. Для поднятия морального духа на лодке были организованы выпуск боевых листков и запись на увольнение в город, когда лодка вернется в базу. Офицерами велась разъяснительная работа сложившейся ситуации. От моряков ничего не скрывали. За исключением того, что шансов на спасение почти нет...
Через час после того, как «М-351» не вышла на связь в условленное время, в район ее последнего погружения по тревоге были высланы аварийно-спасательные силы флота. Однако аварийный буй с «малютки» спасатели обнаружили только около полуночи. Командир ПЛ Белозеров едва успел доложить командованию о ЧП и ситуации на борту, как связь прервалась... И потянулись мучительно медленные минуты и часы в ожидании помощи в мрачных холодных отсеках мертвой субмарины, где воздуха оставалось все меньше и меньше. По расчетам, средств регенерации (кислорода) на борту оставалось на 70 часов. Провизии — на двое суток.
Только спустя почти сутки, днем 23 августа, начались спасательные работы, общее руководство которыми осуществлял командующий Черноморским флотом адмирал Касатонов. Подать сразу в лодку свежий воздух не получилось. Со второй попытки со спасательного судна удалось подсоединить шланги вентиляции и трубопровод подачи на «М-351» воздуха высокого давления.