相互发现
在美军 TF18自东向西行驶的同时，日军的警戒队也自西向东接近新乔治亚岛。日军编队以「三日月」号驱逐舰打头，其后是编队旗舰「神通」号轻巡洋舰，接下来依次是「雪风」号、「滨风」号、「清波」号、「夕暮」号驱逐舰。美军外围布置有水上飞机的警戒网发挥了先期预警的作用，0时36分，一架PBY水上飞机报告，发现一支日军编队，包括1艘巡洋舰和5艘驱逐舰，航向128度，航速30节，距离TF18大约26海里。安斯沃思少将果断地下令编队改一路纵队，以麦金纳尼上校的第21驱逐分队5艘驱逐舰当先，瑞安上校的第12驱逐分队5艘驱逐舰殿后，3艘轻巡洋舰居中，加速至28节(编队中「利安德」号所能达到的最大航速)，迎击日军舰队。
1943年，停泊在图拉吉军港内的「圣路易斯"号轻巡洋舰
就双方实力而言，美军毫无疑问是占绝对优势的。从军舰方面而言，
3艘轻巡洋舰对日1艘轻巡洋舰，10艘驱逐舰对日5艘驱逐舰。而火力方面，美军有38门152毫米火炮、62门127毫米火炮、94具533毫米鱼雷发射管，日军仅有7门140毫米火炮、23门127毫米火炮、4门120毫米炮和44具610毫米鱼雷发射管。在这样的情况下，如果美军先发现先开火，将是一边倒的局面。然而令美军意想不到的是，日军很快发现了他们的存在。原来，日本编队中的驱逐舰「雪风」号安装了雷达告警装置，这套装置可通过接收和测定美军雷达发出的脉冲信号来确定美军舰队的存在。0时57分，「雪风」号向编队司令伊崎少将发出信号。虽然日军发现美军舰队较晚，但其雷达告警装置的预警却要比美军雷达预警来得早(从技术而言，这也是合理的)。
不过，这种提前的实战意义却没有想象得大。就在 「雪风」号发出信号3分钟后，TF18编队的旗舰「火奴鲁鲁」号的雷达也探测到了日本舰队。雷达兵在无线电中大喊:「发现一个恶棍!」又过了3分钟，麦金纳尼上校的座舰、整个编队的首舰「尼古拉斯」号率先发现了日本舰队的舰影。1时08分，日本官兵才发现美军的舰队，判断为4艘巡洋舰与数艘驱逐舰。这次的结果有些戏剧性，科技实力强大的美军居然在远程探测上逊于对手，而夜间目视能力强大的日军，却在目视观察上输了一着。(早年的对海搜索雷达性能不佳可见一斑。而「雪风」号上所谓的被动侦测设备，无非是超外差接收装置，原理与收音机近似，并不值得高估。在对海搜索和探测技战术极其原始的二战期间，美军对雷达的使用显然还在经验积累期。)
不管相互发现的过程如何，但是美军比日军更早采取了行动，安斯沃思少将在 「尼古拉斯」号发现了日本舰队之后，立即命令麦金纳尼上校率前卫部队脱离主队，全速向前，实施高速鱼雷攻击。1时06分，他又下令主队右转30度，将敌人摆在右舷90度位置，以全副主炮瞄准。但日军也不含糊，考虑到美军雷达技术上的优势，伊崎少将让驱逐舰在美军舰炮开火前实施隐蔽的鱼雷攻击。为了让驱逐舰充分发挥，不致全面暴露，「神通」号打开探照灯指示目标。极具主动性和经验的日军驱逐舰官兵在发现美军舰队后立即转入鱼雷攻击。因此，双方几乎是同时展开了鱼雷攻击。
双矛竞威
虽然是双方同时发起鱼雷攻击的，但鱼雷的速度相对慢，所以在鱼雷抵达敌舰位置之前，火炮率先显示了威力。在这方面，自然是美军占绝对优势。美 3艘轻巡洋舰一直接近到SG雷达和Mk4火控雷达的最佳引导距离-9144米处，安斯沃思少将才下令开火。2艘美军轻巡洋舰的30门152毫米炮与新西兰轻巡洋舰的8门152毫米炮一起喷射出复仇的火焰，当然美军轻巡的火力更猛，这种速射型火炮更像是大口径机关枪，不停倾泻着弹药。短时间内，美军方面的3艘轻巡洋舰一共发射了2630发炮弹，而且根据集中火力射击雷达屏幕最大目标的原则，这些炮弹全都是冲着日军编队中的「神通」号轻巡洋舰而去的。在最初几轮射击中「神通」号未中弹。然而除了雷达之外，美军还有夜航的PBY飞机提供校射。「火奴鲁鲁」号完成5轮射击后，PBY飞行员报告误差183米，于是火炮不断修正。一两分钟后，美军观察到「神通」号3号烟肉附近发生爆炸。1时17分，悲惨的「神通」号舵机被打坏，其锅炉房至少被10发炮弹命中，完全丧失了机动能力，就像条死鱼一般漂浮在海上(由于美军火力凶猛，日军甚至误判美军编队中有4艘重巡洋舰)。「神通」号也用其140毫米主炮进行了还击，但收效甚微。日军的火力反击仅仅切断了「利安德」号的主无线电天线。
「神通」号轻巡洋舰刚建成时的状态。该舰在科隆班加拉海战中被美军用火炮和鱼雷击沉
鱼雷的战果则正好相反，日本驱逐舰在发射鱼雷后，
「清波」号、「雪风」号、「滨风」号、「夕暮」号在第16驱逐队司令岛居威美大佐的指挥下(当时编队内两位大佐驱逐队司令中，岛居威美为海军军官学校第47期毕业，折田常雄为第49期毕业，因此按先任原则，在伊崎司令官失去指挥能力时，由岛居接替指挥权)，按照战术要求，立即高速向北撤出战场，只留「三日月」号陪同受创的「神通」号，所以美军前卫部队发射的鱼雷没有取得任何战果。1时12分以后，瑞安上校率领的美军后卫部队发射了第二轮鱼雷，依旧没能取得任何战果。1时17分，当美军舰队接近到距离「神通」号823米时，安斯沃思作出了编队向南转向的决定。此时，旗舰的通信信号突然变弱，而且在转向中，它驶入了152毫米火炮射击形成的烟雾中，跟随旗舰的其他军舰反应都慢了一拍，尤其是非美国海军序列的「利安德」号，它绕了很大一个圈，最终落入了日军的鱼雷网。1时22分，该舰被1条九三式氧气鱼雷命中，造成28人阵亡。这艘7000吨级的英制轻巡洋舰不得不退出战列，由「拉特福德」号和「杰金斯」号2艘驱逐舰护航，返回图拉吉。另外，处于日本鱼雷攻击范围内的美军前卫部队则幸运地躲过了鱼雷的攻击，没有一艘军舰受伤或沉没。
追穷寇
这场战斗的第一个回合，美军无疑是胜利者。他们以 1艘轻巡洋舰受伤的代价，使1艘日军轻巡洋舰完全丧失了战斗力，同时迫退了剩余的日本驱逐舰。1时15分，PBY飞机报告:「日4艘驱逐舰向北高速航行。」安斯沃思以为日军已经逃跑，立即下令前卫部队追击，并再次命令:「去抓住那些杂种，祝好运!」1时31分，麦金纳尼上校率3艘驱逐舰(另2艘已掩护「利安德」号撤退)向北追去。
接下来，编队朝南转了个大弯，避开受损的 「利安德」号后，又掉头向东北方向驶去。瞭望哨报告说，海面上有3~6艘日军舰正在爆炸燃烧(这是个极度乐观和夸大的报告)。随后，PBY又报告说，逃跑的日军军舰仅有2艘。因此，安斯沃思判断，先前的6艘日军军舰已经有4艘被击沉，这是个完美的成果。但是，安斯沃思少将记起了库拉湾海战中日军驱逐舰脱逃的一幕，他不想再让这些日军军舰轻易逃走，于是作出了一个大胆而错误的选择--全队追击。
原属英国皇家海军的「利安德」号轻巡洋舰，该舰在科隆班加拉海战中被氧气鱼雷重创
此时，
TF18已经分成两个部分。麦金纳尼上校指挥的前卫部队在西面10海里处发现了动弹不得的「神通」号轻巡洋舰。此时，「三日月」号驱逐舰已经离去，只留它独自面对死亡的命运。美军驱逐舰对其发射了鱼雷。1时48分，该舰被2条鱼雷命中，其中1条命中2号烟囱附近，引发爆炸，「神通」号断成两截，剧烈燃烧着沉入海底，包括伊崎少将、舰长佐藤寅治郎大佐在内的482名官兵阵亡。麦金纳尼上校处置完「神通」号之后，从雷达屏幕上没看到敌舰，从无线电中又没听到新的命令，估计日军舰只已经全部被击沉，安斯沃思的主力也已经前往槽海返回，所以选择以30节航速向东撤离作战水域。
