По пути «Граф Шпее» продолжал топить торговые суда. Крейсер находился в Южном полушарии, и 13 декабря 1939 года был погожий летний день. Видимость была превосходной, и в 6.14 утра наблюдатели «Графа Шпее» обнаружили тяжелый крейсер Королевского флота «Эксетер» (вооруженный 8-дюймовыми орудиями) в сопровождении двух других кораблей, и крейсер повернул к ним. «Граф Шпее» был вооружен И-дюймовыми орудиями, и Лангсдорфф предположил, что перед ним крупное торговое судно в сопровождении двух эсминцев. Именно такую жертву и искал рейдер, но, лишенный дозорного самолета, Лангсдорфф не имел возможности проверить свое предположение.
На самом деле «Граф Шпее» направлялся к одной из высланных на его поиски «охотничьих групп». Заметив дым «Графа Шпее», «Эксетер» повернул на него. А то, что Лангсдорфф принял за эсминцы, в действительности оказалось легкими крейсерами: британским «Аяксом» и новозеландским «Ахиллесом» (оба имели по восемь 6-дюймовых орудий). Вероятно, его ввело в заблуждение то обстоятельство, что оба корабля имели необычный силуэт: сдвоенные котлы ради экономии веса имели лишь одну дымовую трубу.
Эти три корабля представляли собой три различных ответа, вот уже полвека мучившие военно-морские флоты всех государств: каким должен быть крейсер? Должен ли он быть легким кораблем, развивающим скорость до 32 узлов и вооруженным легкими 6-дюймовыми орудиями, как «Аякс» и «Ахиллес»; должен ли он иметь среднее водоизмещение и 8-дюймовые орудия, как «Эксетер»; или же это должен быть крупный корабль с мощными 11-дюймовыми орудиями, настолько серьезный противник, что его называют «карманным линкором», но неспособный развить скорость выше 26 узлов? Неудивительно, что специалисты по камуфляжу нарисовали на носу «Графа Шпее» огромные белые волны, в действительности он не мог двигаться с такой большой скоростью. И сейчас «Граф Шпее» не смог уклониться от боя.
С «Аякса» — флагмана группы — был выпущен в воздух с помощью катапульты самолет «Сифокс». Сложности запуска и последующего подъема на палубу самолетов кораблями такого класса привели к тому, что это был единственный случай боевого применения авиации надводными кораблями. На большинстве кораблей Королевского флота место, отведенное под самолеты, катапульты и ангары, вскоре заняли радары и зенитные орудия. Увидев в воздухе разведывательный самолет, «Граф Шпее» развернулся и поставил дымовую завесу. Тактические сложности имелись у обеих сторон. В то время как орудия «Графа Шпее» значительно превосходили дальнобойностью орудия его противников, неприятельские корабли находились от него как с правого, так и с левого борта, и капитан германского крейсера долго колебался, выбирая цель.
Наконец «Граф Шпее» открыл огонь с максимального расстояния. Сначала одна башня вела огонь по правому борту, а другая по левому, но затем все шесть орудий главного калибра сосредоточили огонь на «Эксетере», чьи 8-дюймовые орудия представляли основную угрозу. На британских кораблях радаров не было, а тем временем германский радар «Зеетакт» позволил «Графу Шпее» поразить орудийную башню и главный руль «Эксетера». Если бы не то обстоятельство, что некоторые германские снаряды не взорвались, крейсер обязательно бы потонул. После неудачной попытки выпустить торпеды «Эксетер» вышел из боя с креном на правый борт и зарываясь носом в волну. В трюме бушевал пожар, вода от фонтанов, поднимаемых близкими разрывами, привела к замыканию электрических цепей управления последней уцелевшей орудийной башней. Телефонная связь и радиосвязь также вышли из строя. Существовала реальная опасность того, что «Эксетер» потонет.
Возможно, Лангсдорфф сблизился бы с поврежденным кораблем и добил бы его, но тут оба легких крейсера набросились на «Графа Шпее», отвлекая внимание на себя. Они перемещались очень быстро, уклоняясь от смертельных попаданий орудий главного калибра, не способных достаточно быстро менять угол возвышения и направление.
После полуторачасового боя, в течение которого британским кораблям удавалось подойти к «Графу Шпее» настолько близко, чтобы использовать артиллерию вспомогательных калибров, все четыре корабля получили повреждения. Получив два попадания 11-дюймовых снарядов, «Аякс» лишился двух из четырех орудийных башен, а в третьей отказал подъемник. Прощальный залп «Графа Шпее» снес главную мачту. Три орудия главного калибра еще действовали, но «Аякс» израсходовал 80 процентов своего боезапаса. «Ахиллес» пострадал меньше всего, но у него не было радиоуправления системой огня. «Граф Шпее» получил много попаданий, но вся его артиллерия оставалась исправной.
Бой был прерван британским командиром, поставившим дымовую завесу. Несомненно, Лангсдорффу следовало бы добить искалеченную троицу, но он этого не сделал. Впоследствии говорили, что во время боя он был ранен и потерял сознание. Возможно, этого оказалось достаточно, чтобы он принял решение направиться в нейтральный порт.