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.
Пока происходила дуэль между Мериллом и Омори, 46-й дивизион эсминцев терпел одну неудачу за другой. Один эсминец вышел из строя еще в начале боя. Остальные три корабля маневрировали, чтобы избежать обнаружения под осветительными снарядами противника, а также чтобы не мешать стрельбе своих крейсеров; при этом эсминцы "Спенс" и "Тэтчер" столкнулись. Оба корабля получили тяжелые повреждения, однако дивизион продолжал двигаться на запад на большой скорости, пока не занял положение на дистанции 6000 м справа по носу центральной группы противника. Это была очень выгодная позиция для торпедной атаки японских тяжелых крейсеров. Но в этот момент "Спенс" получил попадание снаряда ниже ватерлинии и временно уменьшил ход. Вслед за этим событием информационный пост по ошибке донес о японских крейсерах "Мёко" и "Хагуро" как о своих собственных. Не раздумывая, командир дивизиона повернул на север к японскому крейсеру "Сэндай", который все еще циркулировал с заклиненным рулем, но вел артиллерийский огонь. Два эсминца 46-го дивизиона выпустили по нему торпеды и, очевидно, попали, но "Сэндай" по-прежнему оставался на плаву и двигался на северо-запад в сопровождении двух поврежденных при столкновении эсминцев.
Начало рассветать, и поэтому Мерилл приказал своим дивизионам эсминцев прекратить преследование кораблей противника и идти в точку рандеву, чтобы лучше организовать оборону против неизбежных атак с воздуха. Оставив три эсминца для оказания помощи торпедированному "Футу", он с остальными кораблями 39-го оперативного соединения направился на юг. В 08.00 над американскими кораблями появилось около 100 бомбардировщиков авианосной авиации под прикрытием истребителей из Рабаула. Благодаря точному зенитному огню и отличному маневрированию американцам удалось сбить 17 атакующих самолетов и избежать попаданий, не считая двух незначительных. Раньше чем самолеты противника появились для повторной атаки, с Соломоновых островов прилетели американские истребители, которые отогнали самолеты противника, сбив еще восемь из них,