萨师俊于1935年2月任中山舰舰长。全国抗战爆发后，他率中山舰等舰艇在上海至武汉的长江上与日军展开了殊死搏斗。

1938年10月，日军逼近武汉。当月下旬，中山舰奉调到金口封锁航道。24日凌晨，大批日本飞机分批袭击中山舰。萨师俊站在指挥台上，亲自指挥舰上官兵对空射击，抵抗日机的进攻。中山舰官兵数十次打退日军的进攻，激战长达数小时，萨师俊冒着枪林弹雨，一直坚守在战位上。下午2时，日军飞机再次来袭，从不同方向朝中山舰投下炸弹，萨师俊双腿皆被炸断，左臂也被炸伤，顿时血肉模糊。舰上官兵想去救他，把他扶到舢板上离开军舰。萨师俊大声说道：“我还能指挥作战，我是舰长，舰长与军舰共存亡。今为我死守尽义之时矣！”官兵们无不为之动容，纷纷冲上炮位，继续与敌作战。

这时，有官兵劝萨师俊摘掉舰长袖章，免得成为日机集中射击的目标，但他坚定地说：“我必死矣，军服是国家名器之象征也，决不可易！恒人死狱正衣冠，而谓我革命军人殉职乃能服装不整乎。”言罢，他从容整理上衣，继续指挥作战。

由于中山舰受损严重，船体倾斜下沉加快，已无法继续作战，萨师俊下达离舰的命令。大家看到舰长还在指挥战斗，不忍离开，萨师俊豪迈地对大家说：“不有死者，何以见大汉民族之忠义，不有生者，何以杀倭寇，争胜利，卫国家，尔等当为国家报仇，为中山舰报仇，为我报仇，义之至也，共死何为！”萨师俊身负重伤行动不便，官兵们坚决要带舰长一起撤离，把他搀扶上了一条舢板。惨无人道的日军向满载伤员的舢板射击，萨师俊头部中弹，当场壮烈殉国。不久之后中山舰也沉没于长江。

中山舰后于1997年1月被整体打捞出水，文物部门共发掘清理出各类文物3400件，其中还包括萨师俊当年用过的印章。2008年中山舰整体迁移至武汉中山舰博物馆，供人们参观，向国人传递着不屈的民族精神。

萨师俊为国捐躯后，被国民政府追赠为上校军衔，他是抗战时期中国海军在战场上牺牲的级别最高的爱国军官。2014年9月，民政部公布了第一批抗日英烈和英雄群体名录，萨师俊位列其中。