В 17 час. 54 мин. с дистанции 86 кабельтовых англичане открыли огонь по французским кораблям. Пеленг стрельбы был выбран с таким расчетом, чтобы высокие стены форта Мерс–эль–Кебир препятствовали наблюдению за английскими кораблями и падением своих снарядов. Кроме того, на этом пеленге близко стоящие друг к другу и кормой в сторону моря французские линкоры не могли полностью использовать свою артиллерию. Впервые со времен Наполеоновских войн англичане воевали с французами, своими бывшими союзниками. Ответный огонь французов был интенсивным, но неточным.
С началом обстрела французские линкоры получили приказ покинуть гавань. Первым должен был двинуться «Страсбург, затем «Дюнкерк» и, наконец, старые линкоры — «Прованс» и «Бретань». Эскадренные миноносцы должны были выходить из гавани по способности, по мере готовности. Решение французского адмирала покинуть тесную гавань было, безусловно, правильным, тем более что в числе пушек французы имели превосходство при свободном маневрировании кораблей. «Дюнкерк» несколько замешкался с отдачей швартовых (буксир, который был предназначен ему в помощь, получил повреждения) и тем самым задержал выход старых линкоров, что, по–видимому, определило их судьбу. «Бретань» была поражена целым залпом 381–мм снарядов. Несколько снарядов пробили палубу линкора. Один вызвал пожар и взрыв боезапаса 138–мм пушек. Другой, попавший в район кормовых башен, вызвал пожар и взрыв боезапаса главного калибра. Корабль получил большой крен на правый борт. В этот момент он получил еще ряд попаданий, опрокинулся и затонул с большей частью своего экипажа. Всего погибли 977 человек.
Линкор «Прованс» первым из французских кораблей открыл огонь по английскому флагману. Однако его стрельба заставляла желать лучшего: выпустив более 20 снарядов 340–мм калибра, он не достиг ни одного попадания, все они ложились с большими недолетами. Сам же линкор получил ряд попаданий, и часть его артиллерии главного калибра была выведена из строя. Кроме того, в кормовых отсеках начался пожар, вдобавок он получил ниже ватерлинии пробоину. Главную опасность представлял пожар, приближающийся к кормовым артиллерийским погребам, которые пришлось затопить. С пробоиной справиться не удалось — вода быстро распространялась по отсекам, и, приткнувшись к мели, линкор плотно сел на грунт. Потери личного состава корабля были невелики — всего несколько человек убитых и раненых.
Линейный крейсер «Дюнкерк» в самом начале боя получил подводную пробоину в кормовой части. 381–мм снаряд не взорвался, к его счастью, но корабль принял много воды. Затем в корабль попало еще три снаряда, один из них — в четырехорудийную башню, вызвав в ней пожар. Два орудия («полубашни») были выведены из строя, а их расчет погиб. Другая «полубашня» не пострадала. Второй снаряд пробил главную броневую палубу в районе башен универсального калибра и взорвался. При этом весь находящийся в этом месте личный состав погиб. Возник сильный пожар, горячие газы проникли в машинное отделение, в результате чего все механизмы были выведены из строя, а люди погибли. Третье попадание привело к некоторым разрушениям в котельном отделении. После всех этих повреждений линейный крейсер уже не мог и мечтать выйти в море. Адмирал Жансуль приказал отвести корабль в западную часть бухты под прикрытие форта Мерс–эль–Кебир и приткнуть его к отмели, после чего передал англичанам по радио просьбу о прекращении огня.
Англичане могли праздновать победу, но их радость была омрачена удачным (для французов) прорывом линейного крейсера «Страсбург и эсминцев из Мерс–эль–Кебира во французские гавани. Этот корабль начал движение еще при первых залпах англичан. Пользуясь прикрывшим его плотным дымом, он впритирку к сетевым заграждениям сумел вырваться из бухты.