W latach trzydziestych HMAS Canberra operował głównie na australijskich wodach, dwa razy (1932 i 1937) odwiedzając China Station (wydzieloną formację Royal Navy skupioną wkoło Singapuru i Hong Kongu), trzy razy Nową Zelandię. Wraz z początkiem wojny podjął służbę patrolową i eskortową na Oceanie Indyjskim. W lutym 1941 przechwycił niemiecki statek zaopatrzeniowy Coburg i otworzył do niego mało celny ogień z dużego dystansu, co skończyło się samozatopieniem nie mającego szans na ucieczkę frachtowca (wraz z prowadzonym pryzem). Przyłączenie się Stanów Zjednoczonych do wojny oznaczało rozpoczęcie w styczniu 1942 roku współpracy z US Navy w ramach zespołu ANZAC, niemniej okres między lutym a majem 1942 okręt spędził w stoczni w Sydney, po czym został skierowany na Morze Koralowe (do Task Force 44, wraz krążownikami USS Chicago i USS Salt Lake City), a następnie przeniesiony do zespołu TF 62, działającego w rejonie Wysp Salomona. 5 sierpnia 1942 roku zameldował się w grupie TG 62.3 pod Guadalcanalem.

Pozostająca pod dowództwem brytyjskiego admirała Victora Crutchleya grupa wsparcia i osłony walczących na wyspie Guadalcanal oddziałów obejmowała trzy ciężkie krążowniki typu Astoria: Astoria, Quincy i Vincennes, jak i USS Chicago (typu Northampton) oraz australijskie HMAS Canberra i HMAS Australia (oba typu County). Ich uzupełnieniem były lekkie krążowniki USS San Juan i HMAS Hobart. Była to spora siła, która jednak już w nocy z 8 na 9 sierpnia musiała stawić czoła japońskiemu zespołowi, złożonemu z pięciu ciężkich i dwóch lekkich krążowników, których załogi reprezentowały znacznie wyższy poziom wyszkolenia w nocnych walkach. Co więcej, udało im się zaskoczyć zarówno patrolujące na zachód od Savo dwa amerykańskie niszczyciele (jeden z nich ostatecznie zatapiając), jak obie grupy patrolujących na wschód od Savo krążowników. Doprowadziło to do bezprecedensowej klęski alianckiego zespołu, przy czym jako pierwsza zaatakowana została grupa południowa, złożona z HMAS Canberra i USS Chicago.

Walka rozpoczęła się po cichu, od wystrzelenia o godzinie 01:38 salwy torped przez japońskie okręty. W tym samym czasie dostrzeżone zostały też odległe o około 16 kilometrów amerykańskie krążowniki grupy północnej, przez co japońska kolumna zmieniła kurs, idąc na spotkanie z nimi, jednocześnie szykując się do akcji artyleryjskiej przeciwko krążownikom grupy południowej. O 01:43 towarzyszący grupie południowej niszczyciel dostrzegł wreszcie przeciwnika, niemniej w tej samej niemal chwili katapultowane jeszcze przed północą trzy wodnopłatowce z japońskich krążowników zrzuciły flary oświetlające, które wyeksponowały HMAS Camberra i USS Chicago. Australijski krążownik natychmiast zaczął szykować się do walki, jednak było już za późno.

Wprawdzie udało się wymanewrować wymierzone w okręt torpedy, jednak ledwo minutę później HMAS Canberra dostał się pod ostrzał najpierw dwóch, potem łącznie czterech japońskich ciężkich krążowników, prowadzony z dystansu 4-5 tysięcy metrów. W ciągu kilkunastu minut otrzymał co najmniej 24 trafienia, które wyłączyły z użytku obie kotłownie i pozbawiły okręt mocy zanim jeszcze australijski krążownik zdążył oddać choć jeden strzał czy poinformować pozostałe jednostki, co właściwie się dzieje. W tym samym czasie na USS Chicago budzono dopiero dowódcę, zaś moment później amerykański krążownik został trafiony torpedą w część dziobową i ciężko uszkodzony odszedł z rejonu starcia, także nie uprzedzając grupy północnej o obecności przeciwnika, co fatalnie się dla niej skończyło. HMAS Canberra stanął tymczasem w dryfie z przechyłem na prawą burtę. Co więcej, zameldowano wówczas także o wybuchach dwóch torped, chociaż żadna z nich nie pochodziła najpewniej z japońskich jednostek (które wystrzeliły ich aż 19 do Australijczyka, jednak nie odnotowały ani jednego trafienia). Przypuszcza się więc, iż mogły to być torpedy niszczyciela USS Bagley, który skryty za północnym zespołem zaiste oddał salwę w ogólnym kierunku przeciwnika. Gdy walka dobiegła końca, HMAS Canberra wciąż utrzymywał się na wodzie, niemniej po ocenie skali uszkodzeń maszynowni zdecydowano o samozatopieniu okrętu. Jego załoga została zdjęta z pokładu jeszcze około 5:00 (umniejszona o 74 poległych, przy czym kolejne 10 osób zmarło później na skutek obrażeń). Krążownik otrzymał najpierw cztery torpedy od niszczyciela USS Selfridge (który użył też dział), co jednak nie spowodowało zatonięcia okrętu, przez co dobity został kolejną torpedą przez niszczyciel USS Ellet. Ostatecznie przewrócił się na prawą burtę i zniknął pod wodą około godziny 8:00.

Cieśnina Żelaznego Dna (Iron Bottom Sound), zwana dawniej Sealark Sound albo Savo Sound, znajdująca w archipelagu Wysp Salomona między wyspami Guadalcanal i Florida, od zachodu zaś ograniczona wysepką Savo, zyskała swoją nazwę po zaciętych walkach, jakie toczyły się tam w latach 1942-43. Jej wody pochłonęły wtedy kilkadziesiąt statków i okrętów, których żelazne kadłuby zaczęły odchylać wskazówki kompasów. Pierwszy raz została spenetrowana w sierpniu 1992 roku przez Roberta Ballarda, kolejne badania prowadzili tam: Paul Allen (2015, 2018) oraz ekipa japońska z Kyushu Institute of Technology (2017). Jak dotąd zlokalizowano w jej obrębie 27 wraków okrętów (oraz kilka kolejnych w pobliżu).

Wrak HMAS Canberra został zlokalizowany i zbadany latem 1992 roku przez zespół Roberta Ballarda z pokładu jednostki badawczej Laney Chouest podczas drugiego podejścia do tematu (pierwsze miało miejsce w 1991 roku i zakończyło się praktycznie bezowocnie). Nie była to jednak najbardziej udana wyprawa znanego eksploratora, nękana częstymi awariami sprzętu i cierpiąca na brak czasu, niemniej udało się w jej trakcie po raz pierwszy uzyskać dane o niektórych wrakach Cieśniny Żelaznego Dna, w tym także krążownikach Northampton, Quincy, Atlanta i okręcie liniowym Kirishima.

Wrak HMAS Canberra wedle stanu z sierpnia 1992 roku
Na podstawie ilustracji Kena Marshalla zamieszczonej w The Lost Ships of Guadalcanal