24 августа 1942 года ледокол вышел с Диксона, выполняя рейс на Северную Землю. На борту находилось 104 человека (включая 47 человек экипажа, 32 военнослужащих, 11 полярников, 12 рабочих, 2 офицера), 349 тонн грузов (собаки, коровы, оснащение станции, провиант, топливо, стройматериалы). Целью рейса была замена персонала, пополнение запаса полярных станций на Северной Земле и организация новой станции на мысе Молотова.
На следующий день после выхода, 25 августа 1942 года, направляясь по курсу к мысу Оловянный, между островами Белуха, Центральный и Продолговатый в заливе Миддендорфа Карского моря, встретил немецкий тяжёлый крейсер "Адмирал Шеер", который вёл поиск союзнических караванов в рамках операции "Вундерланд". Крейсером командовал капитан Вильгельм Меендсен-Болькен. Предупреждения о возможном нахождении крейсера в Карском море поступили 24 августа от британского военного представителя в Архангельске и от персонала советской метеостанции на островах Гейберга, который видел 21 августа разведывательный самолёт Arado, но не были переданы экипажу ледокола; встреча с крейсером была неожиданностью.
Сигнальщик в 13 часов 17 минут заметил дым неизвестного корабля. Корабль приблизился. На немецком крейсере, с целью введения советских моряков в заблуждение, подняли американский флаг и передали сигналами ложное название корабля. После двадцатиминутного диалога, в котором немцами на русском языке запрашивались сведения о ледовой обстановке в проливе Вилькицкого, капитаном Качаравой принято решение следовать на полном ходу к острову Белуха (10 миль), для того, чтобы укрыть людей и груз. Была объявлена тревога: все бойцы заняли места у орудий, подготовлены средства пожаротушения и медицинской помощи, отправлена радиограмма: "Встретили иностранный крейсер. Наблюдайте за нами". Радиостанция штаба ГУСМП передала информацию о том, что ни американских, ни японских военных кораблей в акватории моря находиться не может.
На "Адмирале Шеере" была включена аппаратура радиопомех, поднят немецкий военно-морской флаг. Крейсер потребовал прекратить радиопередачи и лечь в дрейф, затем был дан предупредительный выстрел. В 13 часов 45 минут была даны радиограммы: "Началась канонада, ждите", затем "Нас обстреливают". "Сибиряков" (два 76-мм зенитных орудия) несмотря на огромное превосходство противника в вооружении (6 орудий калибра 283-мм, 8 орудий - 150-мм, 6 орудий - 105-мм, плюс малокалиберная зенитная артиллерия и два 533-мм четырёхтрубных торпедных аппарата) начал обстрел крейсера с дистанции 64 кабельтовых (11.8 км.). Снаряды "Сибирякова" повредили неукрытые зенитные орудия, покосили орудийную прислугу. Ответный огонь крейсера: из 27 снарядов главного калибра в 6 залпах 4 попали в цель. Первым попаданием снаряда снесло фор-стеньгу и повредило радиостанцию (перешли на аварийный передатчик), систему телефонной связи, вторым снарядом накрыло корму, мощный взрыв выбросил высоко в воздух тела бойцов, коробки груза, элементы кормы, кормовых орудий, шлюпок, - около тридцати человек погибло. Третий снаряд попал на носовую палубу, взорвались бочки с бензином (около 300 штук), из-за чего обгорели многие находившиеся на борту. К дымовой завесе, выставленной ледоколом, прибавился дым мощного пожара. Четвертый снаряд угодил в ботдек и взорвался в котельном отделении (левый котел вышел из строя). Ледокол полностью потерял ход и дал дифферент на нос.
В 14 часов 05 минут по приказу комиссара старший механик Бочурко открыл кингстон. Комиссар и старший механик погибли вместе с кораблем. Последнее уцелевшее орудие продолжало обстрел вражеского крейсера с дистанции в 2,2 мили. В 14 часов 30 минут крейсер, подавив огневую точку, прекратил шрапнельный огонь и подошёл к месту, где находился тонущий ледокол. Бой крейсера с ледоколом продолжался 43 минуты. Из двух шлюпок со спасшимися одну немцам удалось потопить. К оставшейся шлюпке был выслан катер для поиска возможных данных о караванах, ледовой обстановке, кодов, шифров. В шлюпке немецкими моряками были обнаружены 28 человек, из которых 18 человек были захвачены в плен. Оказавший сопротивление матрос Матвеев был расстрелян, несколько человек отказалось от эвакуации на немецкий крейсер, выпрыгнули за борт и остались в воде. Около 15 часов ледокол начал быстро погружаться под воду, образуя воронку. Моряки крейсера фотографировали эвакуацию и погружение «Сибирякова».
Кочегару Вавилову удалось добраться до острова Белуха. В сентябре он был замечен с борта парохода «Сакко» и 29 сентября, через 32 дня, эвакуирован с острова самолетом.
13 человек из плененных выжили в немецких лагерях и были освобождены после окончания войны.