Il prend part à la deuxième bataille navale de Guadalcanal les 14 et , attaché à une force de reconnaissance sous le commandement du Contre-amiral Shintarō Hashimoto opérant à partir du croiseur légerSendai. Au cours de la bataille, il prend part aux naufrages des USS Preston et USS Walke, endommage les USS Benham (sabordé après la bataille) et USS Gwin. Localisé et bombardé par l'USS Washington, l'équipage abandonne le navire après la perte de 27 des leurs. Trente marins, dont le commandant Sakuma, s'échappent dans un bateau vers Guadalcanal tandis que le reste est secouru par l'Uranami. Au même moment, le Washington envoie par le fond le cuirasséKirishima. Plus tard dans la nuit, l'Uranami saborda d'une torpille l'Ayanami dérivant, qui coula peu après 02 h 00 dans le détroit d'Ironbottom.
Le destroyer est rayé des listes de la marine le .
Épave
À la fin de juillet 1992, l'archéologue marin Robert Duane Ballard mena une expédition dans le détroit, où il localise treize épaves nouvellement découvertes. Parmi elles se trouve celle de l'Ayanami, gisant à une profondeur d'environ 700 mètres au sud-est de l'île de Savo, à la position géographique 9° 10′ S, 159° 52′ E. La coque et la quille du navire semblent avoir été brisées par une explosion d'une torpille tribord juste derrière le pont; le navire repose en deux morceaux, poupe à la verticale, la proue tordu et couché sur le côté tribord.
