"Худ" дал первый залп с расстояния 12 миль. Сопровождавший его "Принс оф Уэллс" немедленно последовали примеру адмирала. Немцы тоже открыли огонь. Лютьенс приказал сосредоточить огонь на головном корабле. Адмирал Холланд тоже приказал стрелять по головному, считая, что это "Бисмарк". Ошибку вызвало сходство силуэтов германских кораблей. Крейсера-преследователи не заметили, как немецкие корабли поменялись местами. Поэтому "Худ" открыл огонь по "Принцу Ойгену", но командир "Принс оф Уэллса" капитан 1 ранга Дж. К. Лич заметил ошибку адмирала Холланда и приказал стрелять сразу по "Бисмарку", не обращая внимания на приказ адмирала.
После нескольких пристрелочных залпов "Принц Ойген" добился попадания, и между мачтами "Худа" начался большой пожар. "Бисмарк" обстреливал эту же цель, давая залпы каждые 22 секунды. Артиллеристам "Худа" понадобилось всего 3 залпа, чтобы нащупать дистанцию до "Принца Ойгена", однако неопытный экипаж "Принс оф Уэллса", которому не мешали германские снаряды, первый залп положил в полумиле от цели и потратил еще 6 залпов, чтобы пристреляться по "Бисмарку". Адмирал Холланд шел на противника со скоростью 28 узлов, и его корабли продолжали получать попадания. Потом английские корабли начали медленно поворачивать на новый курс, чтобы ввести в действие всю артиллерию. Германские снаряды продолжали сыпаться на "Худ". А через 4 минуты после начала боя очередной залп "Бисмарка" накрыл "Худ". Через несколько секунд пламя взлетело выше мачт, последовал страшный взрыв с массой дыма и пламени. Огненный шар подбросил вверх стальные башни, какие-то обломки… И все затянул маслянистый черный дым. На мгновение из пылающего ада поднялись нос и корма линейного крейсера, а потом они опустились обратно и ушли под воду, унеся с собой весь экипаж в 1419 человек, кроме 3 счастливчиков.
"Принс оф Уэллс" круто повернул вправо, чтобы не столкнуться с тонущими обломками и через минуту сам попал под частый и точный огонь. Дистанция сократилась до 9 миль, и плотный строй британской эскадры позволил немцам перенести огонь без промедления. Линкор немедленно окружили всплески, достигавшие высоты 200 футов. Это мешало наводчикам видеть цель и снижало меткость стрельбы англичан. Вступили в бой 5.9" орудия "Бисмарка", которым ответили 5.25" орудия англичан. 15" снаряд попал в мостик "Принс оф Уэллса", перебив всех людей, кроме капитана и сигнальщика, и уничтожив некоторые системы управления огнем. Орудия линкора, вошедшего в строй всего 3 недели назад, отказывали одно за другим. Иногда он давал залпы всего 3 орудиями из 10. Через 2 подводные пробоины британский линкор принял около 600 тонн воды. 8" снаряд даже пробил броню погреба, но не взорвался. Дистанция сократилась до 7 миль, когда "Принс оф Уэллс" получил седьмое попадание. После этого британский линкор круто отвернул и поставил дымзавесу, ослепив германских наводчиков. Когда он накренился на повороте, кормовая башня окончательно вышла из строя. "Бисмарк" и "Принц Ойген" прекратили огонь, когда дистанция увеличилась до 10 миль. Через 20 минут после начала бой завершился.
Адмирал Холланд плохо провел бой, и только неподчинение капитана 1 ранга Лича спасло англичан от полного разгрома. Его решение стрелять сразу по "Бисмарку" дало время неопытному экипажу пристреляться, пока германские снаряды не сыпались на "Принс оф Уэллс". 2 — 14" снаряда попали в "Бисмарк", уменьшив его максимальную скорость с 31 узла до 28. Немецкий линкор получил дифферент 10
, но что гораздо важнее — у него началась утечка топлива из носовых цистерн.Лютьенс сообщил о блестящей победе германского орудия домой. А тем временем крейсера контр-адмирала У.Ф. Уэйк-Уокера возобновили преследование, присоединив к себе поврежденный "Принс оф Уэллс". "Суффолк" сообщил, что немцы снизили скорость до 24 узлов, и за "Бисмарком" волочится длинный хвост нефти.