实际上日军此时距瓜岛只有40分钟的航程。惊慌失措的阿部在下达转向命令时,竟忘记通知统一调头时间为22时05分,结果已和主队拉开一段距离的高间在22时提前调头。海面上出现了一个滑稽场面:阿部主队依然在向西南行驶,而高间前卫部队已经调头向东北开过来了。在漆黑的海面上,日军队形出现了稍许混乱。
就在阿部调头仅10分钟后,倾盆大雨忽然戛然而止,笼罩在海上的雾气也渐渐消散,“比叡”号的瞭望哨已经发现了前方锥形的萨沃岛。莱卡特基地也适时来电告知,“水上飞机可以起飞为炮击指示目标”,岛上的地面观察员也报告“瓜岛上空天气良好,未发现铁底湾一带有美舰存在”。阿部清楚,此时放弃炮击直接回家肯定是无法交差的。22时30分,他再次下令各舰调头南下执行炮击任务,同时令2艘战列舰主炮全部装上对地攻击的薄壳三式弹。
殊不知日舰的两次调头已将队形彻底打乱,此时前卫驱逐舰已被主队甩在了身后,阿部却错误地认为它们依然在主队前方,于是命令高间“我现在进入阵地,你舰在前先行”。对这道莫名其妙的命令,在他身后数千米的高间哭笑不得,真不知道这舰该怎么开了。此时第四水雷战队只有“夕立”和“春雨”号仍在主队右前方10公里处执行着警戒任务。23时15分,日军瞭望哨终于看到了岸上第十七军在埃斯佩兰斯角和塔萨法隆加角点起的篝火。10分钟阿部下令:“转航向140度,进入炮击阵位!”
从白天基地航空部队的攻击阿部得知,瓜岛水域可能存在一支敌军水面舰队部队。尽管第六战队之前在埃斯佩兰斯角夜战中吃了大亏,但阿部却认为那不过是五藤太过轻敌,或者是敌人运气太好。铁底湾的夜晚无疑是帝国海军的天下,那支美军舰队说不定日落之前早已逃之夭夭了。按照惯例,完成护航任务的美军舰队是不敢在铁底湾随意逗留的。己方舰队有威风凛凛的战列舰,美军敢来那才是找死。阿部错误认为高间的驱逐舰在前方巡逻,可以提前发出预警。即使美军舰艇前来挑战,自己也完全有时间从容将三式弹更换为对舰攻击的穿甲弹。
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。