В 02.27, когда 39-е оперативное соединение подходило к бухте Императрицы Августы курсом 345° в трех группах и в строе пеленга, флагманский корабль "Монпелье" обнаружил радиолокатором корабли противника на дистанции 18 миль к северо-западу, которые следовали в южном направлении. После поворота "все вдруг" американские корабли взяли курс на север, и поэтому все группы оказались в обычном для американцев строе кильватера, который они приняли в ночном бою. Как только противник обозначился на экранах радиолокаторов, шедший в голове колонны 45-й дивизион эсминцев отвернул влево, чтобы занять позицию на фланге северной группы противника. После этого крейсера Мерилла изменили курс поворотом "все вдруг" на 16 румбов, а 46-му дивизиону эсминцев было приказано атаковать южную группу противника.
Находясь справа по носу японского крейсера "Сэндай" на дистанции 5500 м, корабли 45-го дивизиона выпустили половину своих торпед и сделали поворот "все вдруг". Ни одна из торпед не попала в цель, так как японские корабли изменили курс. Крейсер "Сэндай", заметивший американские крейсера, дал по ним торпедный залп и предупредил Омори, который приказал своим группам повернуть на юг и перестроиться в боевой ордер. Когда Мериллу доложили, что противник изменил курс, он приказал крейсерам немедленно открыть огонь.
Сорок четыре орудия американских кораблей начали стрельбу по ближайшей цели из северной группы японских кораблей, которые в свою очередь открыли ответный огонь. Японские снаряды ложились недолетами и впереди по курсу. Во время маневрирования при попытке уклониться от мощного огня американских 150-мм орудий столкнулись два японских эсминца, а крейсер "Сэндай" загорелся и выкатился из строя с заклиненным рулем. Американцы явно выиграли первую фазу боя, но корабли 45-го дивизиона после отворота потеряли друг друга. Потребовалось около часа, чтобы собрать их и снова ввести в бой.
Японские корабли изменили курс, и поэтому 39-е оперативное соединение в 02.52 поворотом "все вдруг" легло на курс 200°, чтобы уменьшить дистанцию до противника. В это время обнаружилось, что эсминцы 46-го дивизиона повернули раньше времени и поэтому оказались на линии огня крейсеров. В спешном движении на запад эсминец "Фут" пересек курс крейсеров так близко, что крейсер "Денвер" во избежание столкновения вынужден был отвернуть влево.
Чтобы не мешать действиям 46-го дивизиона и приблизиться к группе японских кораблей во главе с крейсером "Сэндай", в 03.02 американские крейсера повернули на север. Но вскоре они вынуждены были резко повернуть вправо, чтобы избежать столкновения с неподвижно стоящим кораблем. Это снова был эсминец "Фут". Продолжая движение на запад, он оказался жертвой торпеды, выпущенной крейсером "Сэндай". В 03.10 адмирал Мерилл еще раз повернул свои корабли на юг, закончив, таким образом, описывать петлю в виде огромной восьмерки. Управляя кораблями по радиотелефону, Мерилл держал их в отличном строю, все время меняя курсы и не раз проходя через линию огня неприятеля, заставляя его снова и снова вносить поправки на приборы стрельбы.
Чтобы использовать преимущества своих 200-мм орудий, адмирал Омори стремился вести бой на больших дистанциях, но ему с трудом удавалось следить за местонахождением американских кораблей. Он начал описывать полную петлю, чем ввел в заблуждение группу во главе с крейсером "Агано", которая не понимала, что от нее требуется. Когда он снова повел корабли на юг, вокруг них начали падать американские 150-мм снаряды. Эсминец из группы "Агано" столкнулся с крейсером "Мёко" и повредил себе носовую часть. Шесть снарядов, из которых четыре не взорвались, попали в крейсер "Хагуро". К этому времени над американскими крейсерами появились японские самолеты, которые сбрасывали осветительные ракеты. Осветительные ракеты и снаряды превратили ночь в сумерки, лишив Мерилла преимуществ, которые он имел благодаря радиолокаторам.
Теперь Омори наконец увидел корабли Мерилла и продолжал движение на юго-восток, чтобы немного уменьшить дистанцию. Крейсера "Мёко" и "Хагуро" дали торпедный залп и открыли артиллерийский огонь. Три снаряда попали в крейсер "Денвер", и Мерилл был вынужден отвернуть, прикрываясь дымовой завесой. Омори, ошибочно считая, что он потопил несколько тяжелых крейсеров, также отвернул и отдал приказ об общем отступлении. Поступая так, он отказался от выполнения своей основной задачи: уничтожить американские транспорты. Слишком переоценивая силы противника, Омори считал, что сделал уже достаточно; к тому же на рассвете он хотел находиться за пределами дальности действия авиации, базирующейся на Соломоновы острова.