相互發現
在美軍 TF18自東向西行駛的同時，日軍的警戒隊也自西向東接近新喬治亞島。日軍編隊以「三日月」號驅逐艦打頭，其後是編隊旗艦「神通」號輕巡洋艦，接下來依次是「雪風」號、「濱風」號、「清波」號、「夕暮」號驅逐艦。美軍外圍布置有水上飛機的警戒網發揮了先期預警的作用，0時36分，一架PBY水上飛機報告，發現一支日軍編隊，包括1艘巡洋艦和5艘驅逐艦，航向128度，航速30節，距離TF18大約26海裏。安斯沃思少將果斷地下令編隊改一路縱隊，以麥金納尼上校的第21驅逐分隊5艘驅逐艦當先，瑞安上校的第12驅逐分隊5艘驅逐艦殿後，3艘輕巡洋艦居中，加速至28節(編隊中「利安德」號所能達到的最大航速)，迎擊日軍艦隊。
1943年，停泊在圖拉吉軍港內的「聖路易"號輕巡洋艦
就雙方實力而言，美軍毫無疑問是占絕對優勢的。從軍艦方面而言，
3艘輕巡洋艦對日1艘輕巡洋艦，10艘驅逐艦對日5艘驅逐艦。而火力方面，美軍有38門152公釐火炮、62門127公釐火炮、94具533公釐魚雷發射管，日軍僅有7門140公釐火炮、23門127公釐火炮、4門120公釐炮和44具610公釐魚雷發射管。在這樣的情況下，如果美軍先發現先開火，將是一邊倒的局面。然而令美軍意想不到的是，日軍很快發現了他們的存在。原來，日本編隊中的驅逐艦「雪風」號安裝了雷達告警裝置，這套裝置可透過接收和測定美軍雷達發出的脈沖訊號來確定美軍艦隊的存在。0時57分，「雪風」號向編隊司令伊崎少將發出訊號。雖然日軍發現美軍艦隊較晚，但其雷達告警裝置的預警卻要比美軍雷達預警來得早(從技術而言，這也是合理的)。
不過，這種提前的實戰意義卻沒有想象得大。就在 「雪風」號發出訊號3分鐘後，TF18編隊的旗艦「火奴魯魯」號的雷達也探測到了日本艦隊。雷達兵在無線電中大喊:「發現一個惡棍!」又過了3分鐘，麥金納尼上校的座艦、整個編隊的首艦「尼克拉斯」號率先發現了日本艦隊的艦影。1時08分，日本官兵才發現美軍的艦隊，判斷為4艘巡洋艦與數艘驅逐艦。這次的結果有些戲劇性，科技實力強大的美軍居然在遠端探測上遜於對手，而夜間目視能力強大的日軍，卻在目視觀察上輸了一著。(早年的對海搜尋雷達效能不佳可見一斑。而「雪風」號上所謂的被動偵測裝置，無非是超外差接收裝置，原理與收音機近似，並不值得高估。在對海搜尋和探測技戰術極其原始的二戰期間，美軍對雷達的使用顯然還在經驗積累期。)
不管相互發現的過程如何，但是美軍比日軍更早采取了行動，安斯沃思少將在 「尼克拉斯」號發現了日本艦隊之後，立即命令麥金納尼上校率前衛部隊脫離主隊，全速向前，實施高速魚雷攻擊。1時06分，他又下令主隊右轉30度，將敵人擺在右舷90度位置，以全副主炮瞄準。但日軍也不含糊，考慮到美軍雷達技術上的優勢，伊崎少將讓驅逐艦在美軍艦炮開火前實施隱蔽的魚雷攻擊。為了讓驅逐艦充分發揮，不致全面暴露，「神通」號開啟探照燈指示目標。極具主動性和經驗的日軍驅逐艦官兵在發現美軍艦隊後立即轉入魚雷攻擊。因此，雙方幾乎是同時展開了魚雷攻擊。
雙矛競威
雖然是雙方同時發起魚雷攻擊的，但魚雷的速度相對慢，所以在魚雷抵達敵艦位置之前，火炮率先顯示了威力。在這方面，自然是美軍占絕對優勢。美 3艘輕巡洋艦一直接近到SG雷達和Mk4射控雷達的最佳引導距離-9144公尺處，安斯沃思少將才下令開火。2艘美軍輕巡洋艦的30門152公釐炮與紐西蘭輕巡洋艦的8門152公釐炮一起噴射出復仇的火焰，當然美軍輕巡的火力更猛，這種速射型火炮更像是大口徑機關槍，不停傾瀉著彈藥。短時間內，美軍方面的3艘輕巡洋艦一共發射了2630發炮彈，而且根據集中火力射擊雷達螢幕最大目標的原則，這些炮彈全都是沖著日軍編隊中的「神通」號輕巡洋艦而去的。在最初幾輪射擊中「神通」號未中彈。然而除了雷達之外，美軍還有夜航的PBY飛機提供校射。「火奴魯魯」號完成5輪射擊後，PBY飛行員報告誤差183公尺，於是火炮不斷修正。一兩分鐘後，美軍觀察到「神通」號3號煙肉附近發生爆炸。1時17分，悲慘的「神通」號舵機被打壞，其鍋爐房至少被10發炮彈命中，完全喪失了機動能力，就像條死魚一般漂浮在海上(由於美軍火力兇猛，日軍甚至誤判美軍編隊中有4艘重巡洋艦)。「神通」號也用其140公釐主炮進行了還擊，但收效甚微。日軍的火力反擊僅僅切斷了「利安德」號的主無線電天線。
「神通」號輕巡洋艦剛建成時的狀態。該艦在科隆班加拉海戰中被美軍用火炮和魚雷擊沈
魚雷的戰果則正好相反，日本驅逐艦在發射魚雷後，
「清波」號、「雪風」號、「濱風」號、「夕暮」號在第16驅逐隊司令島居威美大佐的指揮下(當時編隊內兩位大佐驅逐隊司令中，島居威美為海軍軍官學校第47期畢業，折田常雄為第49期畢業，因此按先任原則，在伊崎司令官失去指揮能力時，由島居接替指揮權)，按照戰術要求，立即高速向北撤出戰場，只留「三日月」號陪同受創的「神通」號，所以美軍前衛部隊發射的魚雷沒有取得任何戰果。1時12分以後，瑞安上校率領的美軍後衛部隊發射了第二輪魚雷，依舊沒能取得任何戰果。1時17分，當美軍艦隊接近到距離「神通」號823公尺時，安斯沃思作出了編隊向南轉向的決定。此時，旗艦的通訊訊號突然變弱，而且在轉向中，它駛入了152公釐火炮射擊形成的煙霧中，跟隨旗艦的其他軍艦反應都慢了一拍，尤其是非美國海軍序列的「利安德」號，它繞了很大一個圈，最終落入了日軍的魚雷網。1時22分，該艦被1條九三式氧氣魚雷命中，造成28人陣亡。這艘7000噸級的英制輕巡洋艦不得不結束戰列，由「拉特福德」號和「傑金斯」號2艘驅逐艦護航，返回圖拉吉。另外，處於日本魚雷攻擊範圍內的美軍前衛部隊則幸運地躲過了魚雷的攻擊，沒有一艘軍艦受傷或沈沒。
追窮寇
這場戰鬥的第一個回合，美軍無疑是勝利者。他們以 1艘輕巡洋艦受傷的代價，使1艘日軍輕巡洋艦完全喪失了戰鬥力，同時迫退了剩余的日本驅逐艦。1時15分，PBY飛機報告:「日4艘驅逐艦向北高速航行。」安斯沃思以為日軍已經逃跑，立即下令前衛部隊追擊，並再次命令:「去抓住那些雜種，祝好運!」1時31分，麥金納尼上校率3艘驅逐艦(另2艘已掩護「利安德」號撤退)向北追去。
接下來，編隊朝南轉了個大彎，避開受損的 「利安德」號後，又掉頭向東北方向駛去。瞭望哨報告說，海面上有3~6艘日軍艦正在爆炸燃燒(這是個極度樂觀和誇大的報告)。隨後，PBY又報告說，逃跑的日軍軍艦僅有2艘。因此，安斯沃思判斷，先前的6艘日軍軍艦已經有4艘被擊沈，這是個完美的成果。但是，安斯沃思少將記起了庫拉灣海戰中日軍驅逐艦脫逃的一幕，他不想再讓這些日軍軍艦輕易逃走，於是作出了一個大膽而錯誤的選擇--全隊追擊。
原屬英國皇家海軍的「利安德」號輕巡洋艦，該艦在科隆班加拉海戰中被氧氣魚雷重創
此時，
TF18已經分成兩個部份。麥金納尼上校指揮的前衛部隊在西面10海裏處發現了動彈不得的「神通」號輕巡洋艦。此時，「三日月」號驅逐艦已經離去，只留它獨自面對死亡的命運。美軍驅逐艦對其發射了魚雷。1時48分，該艦被2條魚雷命中，其中1條命中2號煙囪附近，引發爆炸，「神通」號斷成兩截，劇烈燃燒著沈入海底，包括伊崎少將、艦長佐藤寅治郎大佐在內的482名官兵陣亡。麥金納尼上校處置完「神通」號之後，從雷達螢幕上沒看到敵艦，從無線電中又沒聽到新的命令，估計日軍艦只已經全部被擊沈，安斯沃思的主力也已經前往槽海返回，所以選擇以30節航速向東撤離作戰水域。
