就在阿部舰队在海上来回兜圈的时候，卡拉汉已率美军舰队悄然突入了铁底湾。23时25分，装备最新型SG雷达的“海伦娜”号轻巡洋舰率先向旗舰发出了接敌信号：“前方海面发现目标！”
此时“海伦娜”号位于“芝加哥”号身后，卡拉汉对后方发来的接敌报告不敢轻易相信，只是通过TBS要求进一步确认目标。由于无线电话频道单一，各舰争先恐后向旗舰发出众多自相矛盾的信号，反而因互相干扰引起混乱。总之在随后十多分钟时间里，美国人并未采取贸然行动。23时37分，卡拉汉终于发出了“全队右转”的命令，试图占领海战中最有利的T字阵位。处于最前方的“库欣”号突然发现黑暗中的敌舰已近在咫尺。为避免与敌舰发生碰撞，紧急向左转向的“库欣”号竟意外地闯入了日军队列之中。后方各舰也都随之向左转向。
23时42分，日军“夕立”号驱逐舰的瞭望哨突然发出了声嘶力竭的狂吼：“前方发现敌舰！”1分钟后，“比叡”号的瞭望哨也发现在东南方向9000米外出现了4个黑影，那正是卡拉汉的4艘主力巡洋舰——拖后的“朱诺”号此时尚未跟上来。
双方指挥官均大惊失色，卡拉汉没料到敌舰竟然在数千米距离上突然冒了出来，阿部也完全未想到漆黑的夜晚在铁底湾还能遭遇美军。双方阵型瞬间乱作一团。美军的13艘军舰由原来的单纵队变成了松散的三列纵队，间距缩小。以40节相对速度对开的两支舰队迅速靠近并搅在一起。卡拉汉编队闯入了日军2艘战列舰中间，日军的数艘驱逐舰也闯入了美军队列之中。
虽然在兵力和火力上占据了绝对优势，但短兵相接使日军战列舰的巨炮优势无法得到充分发挥。大吃一惊的阿部急令换填穿甲弹，众多日军水兵开始手忙脚乱地从弹药库中提取一式穿甲弹，将原来准备发射的三式弹堆在一边。此时如果有一发炮弹落下来，剧烈的殉爆将把这艘巨舰变成燃烧的火炬。心急火燎的阿部觉得每一分钟都格外漫长。
为搜索目标并整理队形，阿部在23时51分下令“比叡”号打开探照灯，恰好将6000米外“亚特兰大”号的舰桥照得清清楚楚。不等卡拉汉下达命令，斯科特立即下令向敌军探照灯的方向开火，日舰周围立即腾起了十几条水柱。“比叡”号迅速将灯关闭。战场上瞬间炮声四起，火光冲天。由于场面混乱不堪，随后发生的战斗被“蒙森”号的一名军官形容为“在关了灯的酒吧里进行的一场群殴”。双方在近距离内回旋追逐，倾尽全力开炮射击并施放鱼雷。空中炮弹在来回穿梭，海面上到处都是鱼雷的白色航迹。开战才几分钟，炮击产生的火光和舰只焚烧的烈火将周围的海面照得通红。
借着“比叡”号探照灯发出的亮光，日军驱逐舰“晓”号立即用127毫米主炮向1450米外的1艘美舰送过去一轮齐射，“亚特兰大”号舰桥上的斯科特少将及幕僚除一人外集体阵亡。“电”号、“雷”号趁机向该舰发射鱼雷，其中一条准确命中舰尾，另一条在穿入轮机舱后炸响。剧烈爆炸几乎将巡洋舰抬出水面，之后又重重地摔了下去，浪花四溅。顷刻间“亚特兰大”号停了下来，主机损坏，舵机失灵，只能在原地团团打转。其余日舰趁机一起向它射击，舰上腾起一团团冲天的大火球。“比叡”号一发356毫米炮弹在舰首爆炸，惯性使“亚特兰大”号逐渐向旗舰“旧金山”号缓缓漂去。
为发挥主炮的巨大威力，阿部下令“比叡”号左转试图将双方距离拉大到5000米以上，不料却正好插入“库欣”号和“拉菲”号中间。之前遭到“比叡”、“雾岛”火力夹击的“拉菲”号看到一个庞然大物向自己猛扑过来，舰长威廉姆·汉克少校不由分说集中全部火力对准来舰的上层建筑一通狂轰，同时惊险地从“比叡”号前方6米处擦过。“拉菲”号的4门127毫米主炮射速极快，现在以近乎水平的弹道向战列舰拼命炮击，第一轮炮弹就准确命中“比叡”号桅楼上端的主炮射击指挥所，阿部中将和舰长西田正雄大佐双双受伤，副舰长重伤，首席参谋铃木正金中佐及副炮长等人当场阵亡。第二轮炮弹将战列舰的射击方位盘及副炮测位仪全部掀进海里。非但如此，“拉菲”号还趁隙向“比叡”号发射了4条鱼雷，可惜因操之过急忘记解除保险，鱼雷虽准确命中却未能爆炸。
猝不及防的“比叡”号只能暂用三式弹进行还击。当巨炮向“拉菲”号缓缓转动时，一发127毫米炮弹将一号炮塔的电路炸坏，该炮暂时失去了还击能力。但“比叡”号二号主炮借着火光打出了一轮齐射，直接将“拉菲”号的一门主炮掀入海中。鱼雷全部用完的“拉菲”号利用3门剩余主炮向敌舰猛烈开火——这种战列舰与驱逐舰近距离对轰的场面在海战史上极为罕见。
“拉菲”号身后的“斯特雷特”号和“奥邦农”号趁乱冲到了“比叡”号右侧，幸运地躲过了“雾岛”号的一轮齐射，随即以20毫米副炮向“比叡”号上层建筑疯狂扫射。战列舰舰桥内部的油漆和木制品开始燃烧，火势迅速蔓延至桅楼后方的一号烟囱。威风凛凛的猎豹“比叡”号竟被三只绵羊打成了海面上的一团火球。两艘美舰还趁隙向敌舰发射鱼雷，其中一条歪打正着地撞上了“晓”号驱逐舰，也算为刚刚阵亡的斯科特少将报了仇。但“斯特雷特”号的上层建筑很快被日军炮火打得千疮百孔，甲板上到处都是阵亡官兵的尸体，失去攻击力的驱逐舰不得不夺路撤出战场。
战斗突然打响时，美军其余4艘巡洋舰与日军战列舰间尚有5000余米距离，阵型未乱。“旧金山”号舰长卡森·杨上校当即下令开炮还击，其203毫米主炮第一轮齐射就将日军冲在最前的“夕立”号击伤。正当该舰准备向其它目标射击时，失控的“亚特兰大”号恰好漂到该舰前方，第二轮射击就这样阴差阳错地打在了友舰身上——后来发现“亚特兰大”号被自己人命中的203毫米炮竟有19发之多。
关键时刻，卡拉汉少将突然下达了一道匪夷所思的命令：“停止射击，确认目标！”
这道命令将旗舰身后“波特兰”号舰长劳伦斯·杜博斯上校气坏了，他立即发来了质疑信号：“什么愚蠢命令？停止开火？”
“见鬼！单数舰向左射击，双数舰向右射击！”焦急的卡拉汉立即回复，“专瞄准大家伙打，那肯定不是我们的！”——这竟成了少将下达的最后一道命令。看上去如此能够同时炮击两个方向的敌舰，实际上部分美舰在指定舷侧无法找到射击目标，却遭到另一侧日舰的猛烈攻击。于是各舰不管看见什么就立刻开炮，战场瞬间陷入一片混乱。
亚特兰大号
拉菲号
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