薩師俊于1935年2月任中山艦艦長。全國抗戰爆發后，他率中山艦等艦艇在上海至武漢的長江上與日軍展開了殊死搏斗。

1938年10月，日軍逼近武漢。當月下旬，中山艦奉調到金口封鎖航道。24日凌晨，大批日本飛機分批襲擊中山艦。薩師俊站在指揮臺上，親自指揮艦上官兵對空射擊，抵抗日機的進攻。中山艦官兵數十次打退日軍的進攻，激戰長達數小時，薩師俊冒著槍林彈雨，一直堅守在戰位上。下午2時，日軍飛機再次來襲，從不同方向朝中山艦投下炸彈，薩師俊雙腿皆被炸斷，左臂也被炸傷，頓時血肉模糊。艦上官兵想去救他，把他扶到舢板上離開軍艦。薩師俊大聲說道：“我還能指揮作戰，我是艦長，艦長與軍艦共存亡。今為我死守盡義之時矣！”官兵們無不為之動容，紛紛沖上炮位，繼續與敵作戰。

這時，有官兵勸薩師俊摘掉艦長袖章，免得成為日機集中射擊的目標，但他堅定地說：“我必死矣，軍服是國家名器之象征也，決不可易！恒人死獄正衣冠，而謂我革命軍人殉職乃能服裝不整乎。”言罷，他從容整理上衣，繼續指揮作戰。

由于中山艦受損嚴重，船體傾斜下沉加快，已無法繼續作戰，薩師俊下達離艦的命令。大家看到艦長還在指揮戰斗，不忍離開，薩師俊豪邁地對大家說：“不有死者，何以見大漢民族之忠義，不有生者，何以殺倭寇，爭勝利，衛國家，爾等當為國家報仇，為中山艦報仇，為我報仇，義之至也，共死何為！”薩師俊身負重傷行動不便，官兵們堅決要帶艦長一起撤離，把他攙扶上了一條舢板。慘無人道的日軍向滿載傷員的舢板射擊，薩師俊頭部中彈，當場壯烈殉國。不久之后中山艦也沉沒于長江。

中山艦后于1997年1月被整體打撈出水，文物部門共發掘清理出各類文物3400件，其中還包括薩師俊當年用過的印章。2008年中山艦整體遷移至武漢中山艦博物館，供人們參觀，向國人傳遞著不屈的民族精神。

薩師俊為國捐軀后，被國民政府追贈為上校軍銜，他是抗戰時期中國海軍在戰場上犧牲的級別最高的愛國軍官。2014年9月，民政部公布了第一批抗日英烈和英雄群體名錄，薩師俊位列其中。