22时17分，首先发现目标的是“淮河”号重巡洋舰上的124型雷达，他在18km距离上发现了以18节航速向维克岛方向行驶的白鹰重巡洋舰群的踪迹。在判断了对方航向后，“淮河”号舰长兼编队指挥官李波中校立即命令舰队中的驱逐舰出列，向白鹰舰队发射了24枚绰号“长矛”的y-17型重型鱼雷，这种610mm的重型鱼雷采用纯氧作为助燃剂，航速48节时，射程为22km，而在航速33节时，射程则达到了恐怖的40km。此后，由于不清楚对方雷达性能，李波命令各舰减速至25节，逐渐逼近白鹰舰队。
22时37分，在毫无征兆的情况下，“印第安纳波利斯号”重巡洋舰的舰艉突然迸发出一个巨大的火球，“长矛”鱼雷500公斤的战斗部彻底摧毁了他的舰艉。四根传动轴中，左边2根被直接炸断，右侧2根也被彻底卡死，这条1万吨的战舰瞬间失去了动力，只能如同一条濒死的鲸鱼一样在海面上慢慢滑行。更要命的是，海水从舰艉巨大的破口中涌入了轮机舱，海水以及激起的蒸汽，瞬间杀死了里面值班的三十多名水兵。随着进水量的增加，“波利斯号”的舰艉已经开始慢慢下沉。
面对突如其来的袭击，“印第安纳波利斯号”的船长迈卡威中校的反应也很迅速，他一边下令通讯军官发出求救信号，一边组织人手去封堵缺口，然而，这一切都已经无济于事了。
22时49分，“印第安纳波利斯号”翻了一个身，带着100多名舰员沉入了关岛东北约100km处的海底，海面上则到处漂浮着尸体、燃油、杂物和跳水的船员。
而在此时，剩余的3艘白鹰战舰却已经顾不上救援同伴了，因为就在鱼雷击中“印第安纳波利斯号”的1分钟前，“新奥尔良”号重巡洋舰上的sk雷达发现了14km外的“淮河”号编队的踪迹，经过一番挣扎后，第一巡洋舰分队指挥官伦纳德中校不得不在命令通信军官向关岛基地报告“印第安纳波利斯号”位置后，下令舰队加速逃离。同样的，在发现鱼雷击中目标后，李波中校命令舰队提速至33节，全力追击白鹰舰队。而且3艘驱逐舰更是以38节的高速，冲出编队序列，试图截住“新奥尔良”号编队的去路。
经过一个多小时的追逐，23时51分，“淮河”号编队终于成功将双方距离迫近至10km，随即在311型雷达的引导下利用舰艏的两座3联装203mm主炮开始对“新奥尔良”号进行射击，随后编队中“汉江”号重巡洋舰和“盐城”号轻巡洋舰也在雷达引导下开始了射击。而“新奥尔良”号编队虽然没有安装火控雷达，但是也借着对方炮口的火光，用尾炮开始还击，当然，这种赌博式的还击就谈不上什么命中率了。
“淮河”号编队这边则是完全不同的情况，虽然是高速追击，但是在雷达的引导下，“淮河”号的第二轮射击就对“新奥尔良”号打出了跨射，炮弹掀起的高大水柱将“新奥尔良”号的观察哨浇了个透心凉，飞溅的弹片打在他的舰体上噼啪作响。很快，“汉江”号重巡洋舰在第四轮射击中，也对“波特兰”号打出了齐射。
“盐城”号轻巡洋舰则对上了“彭萨科拉”号，由于吨位较小，虽然射速极快，但舰体高速航行时带来的震动，让他号射出的155mm炮弹不是远失就是近失，迟迟无法打开局面。就在枪炮长杨洪上尉正要骂娘的时候，奇迹发生了，“盐城”号第九轮齐射打出的两发155mm炮弹分别击中了“彭萨科拉”号的c炮塔和2号烟囱。
155mm穿甲弹无情地撕开了仅有19mm的炮弹装甲后爆炸，杀死了里面的全部水兵，并导致炮塔内存储的发射药殉爆，引发了大火，好在白鹰水兵训练有素，在提取弹药时按照规范关闭了防火门，引发的大火才没波及弹药舱。但这已经“彭萨科拉”号的反击火力一下锐减了40%。
不过，更大麻烦来自击中2号烟囱的那发炮弹，虽然没有直接造成多少伤亡，但是这发炮弹爆炸的冲击波，摧毁了通往2号烟囱的锅炉排烟管道，倒灌的烟气让“彭萨科拉”的锅炉室内一片大乱，加上排烟不畅带来的动力损失，“彭萨科拉”号的航速一下子就掉到了15节。
面对受损减速的对手，“盐城”号立即转向，摆出了全炮齐射的角度，4座三联装155mm火炮全速射击，以10发/分的单炮射速向“彭萨科拉”号全力倾泻弹药，而动力锐减的白鹰重巡也失去了之前幸运，仅仅一分钟内，“盐城”就连续取得了8次命中，将只有轻巡级别防护的对手打成了火把。
23时54分，也就是“盐城”号取得命中的2分钟后，“淮河”号的努力也收到了成效，1发203mm近失弹在“新奥尔良”号舰艉炸开，变形的装甲板卡死了他的尾舵，舰长伦纳德中校不得不命令“新奥尔良”号顺势转向至t头位置，全力对“淮河”号编队进行拦阻射击，“新奥尔良”号的命运也就此注定。
23时58分，一发来自“新奥尔良”号的炮弹鬼使神差地命中了“汉江”号的2号炮塔，虽然没能击穿炮塔装甲，但撞击和爆炸带来的冲击波还是将炮塔内的水兵全部震死震晕。
23时59分，“新奥尔良”号再次取得命中，这次倒霉的是“淮河”号，一枚203mm炮弹在他的主桅杆间炸开，瞬间，“淮河”号指挥中心的雷达屏幕上变成了一片漆黑。
不过，“新奥尔良”号好运就此结束了，之前的两次命中消耗掉了他全部的运气，在他击毁“淮河”号主桅的几乎同时，来自“淮河”号的2发近失弹落在了距离“新奥尔良”号舰体约10米的地方，他们钻入水面，在水中经过几秒钟的滑行后，恰好绕开了“新奥尔良”号127mm的水线装甲，钻入了他的舰体。第一发在轮机舱中爆炸，横飞的弹片以及管线中泄露的高温蒸汽瞬间杀死了里面的水兵。而第二发更要命，直接在击穿了102mm的装甲后，钻入了弹药库。
当李波中校还在为雷达被摧毁懊恼不已时，“淮河”号舰艏8km处腾起的一个巨大的火球直接让他呆立当场，“新奥尔良”号的弹药库殉爆了！0时6分，这艘有着“世界上最好的条约重巡”之称的战舰，彻底消失在了南安定洋的海面上，全舰自舰长伦纳德中校以下868名官兵无一生还。
受“新奥尔良”号拦阻射击的影响，“汉江”号也不得不放慢了追击的脚步，“波特兰”号趁机将双方的距离逐渐拉开。眼见无法追上对手的“汉江”号掉头把怒火倾泻在了“彭萨科拉”号身上。不到20分钟，这艘重巡洋舰的4座主炮塔和8座127mm高平两用炮已经全部被摧毁，彻底丧失了还手能力。0时37分，在确认其幸存舰员撤离后，“芭提雅”号驱逐舰用鱼雷将“彭萨科拉”号击沉。
此役，帝国海军“淮河”号编队在不具火力优势的情况下，借助舰载雷达，先敌发现，先敌攻击，以2艘重巡洋舰轻伤的微弱代价，击沉白鹰海军重巡洋舰3艘，开创了利用雷达开展夜间海战的先河，史称“关岛夜战”！