Холланд выслушал в очередной раз заверения Женсуля, что его корабли ни в коем случае не попадут в руки Оси. В свою очередь Холланд попытался объяснить опасения британского правительства. Хотя англичане с уважением относятся к заверениям французского адмирала, они, как показали последние события, совершенно не могут доверять ни немцам, ни итальянцам. Желания Франции пунктуально соблюдать условия перемирия недостаточно. Гитлер без колебаний нарушает любой подписанный договор, и на карте стоит судьба Великобритании. Согласовать позиции англичан и французов оказалось абсолютно невозможно. К 17.00 не было достигнуто никакого решения, и теперь Сомервилл был должен действовать быстро и эффективно, иначе наступят сумерки, и французы получат великолепную возможность ускользнуть от него. Он дал Женсулю последнюю отсрочку до 17.30 и радировал об этом Холланду. Тем временем в Лондоне правительство постепенно теряло терпение. В 16.46 Сомервилл получил радиограмму с требованием «как можно скорее решить вопрос, иначе вам придется иметь дело с подкреплениями». Существовали серьезные опасения, что сильная крейсерская эскадра, находящаяся в Алжире, готовится прийти на помощь Женсулю.
Позднее Черчилль признал, что командир Соединения Н столкнулся с тяжелой дилеммой.
«Колебания британского адмирала и его командиров были ясно видны из полученных радиограмм. Только прямой приказ мог подтолкнуть их открыть огонь по тому, кто еще недавно был товарищем по оружию. В Адмиралтействе тоже царил разброд».
Тем не менее, Черчилль отметил, что это «не поколебало решимости военного кабинета». В Лондоне начали бояться, что Сомервилл уже протянул слишком долго, и в 18.26 была отправлена радиограмма с приказом: «Французские корабли должны выполнить наши требования или затопиться, или быть потопленными до наступления темноты». Но к тому времени, когда Сомервилл получил это распоряжение, бой уже почти завершился.
В 17.54 он, наконец, приказал открыть огонь. Британские линкоры дали первый залп с дистанции около 15000 ярдов. Это был максимум, который в тот момент позволяли условия видимости.
Французские корабли стояли шеренгой позади волнолома под прикрытием фортов Мерс-эль-Кебир и дю Сантон. Если смотреть со стороны берега, то порядок был следующим: «Дюнкерк», «Прованс», «Страсбург», «Бретань» и гидроавиатранспорт «Коммандант Тест». Все они стояли кормой к морю. В западной части гавани, ближе к берегу, внутри противолодочных сетей стояли лидеры «Могадор», «Вольта», «Линкс» и «Террибль». Обе стороны имели более чем достаточно времени, чтобы подготовиться к бою, однако положение французских кораблей было более сложным. Им мешали береговые высоты, они также перекрывали линию огня друг другу. Кроме того, перед началом боя им следовало сняться с бочек.
Ни один английский корабль не получил попаданий, хотя в самом начале боя один или два французских залпа накрыли британскую колонну.
«В ходе боя „Худ“ несколько раз накрывало вражеским огнем, один офицер и один матрос были ранены осколками. Других потерь не было. Даже естественное возбуждение людей, впервые оказавшихся под огнем и слышащих над головой свист вражеских снарядов, не могло заслонить тот факт, что бой вскоре превратился в настоящее избиение».
Британская эскадра следовала кильватерной колонной: «Худ», «Резолюшн», «Вэлиант». Легкие крейсера «Аретуза» и «Энтерпрайз» держались за кормой линкоров. И в отличие от французов, британские линкоры стреляли метко. Держа курс на восток, они вели огонь через мыс Мерс-эль-Кебир.
Британские залпы вскоре начали падать среди французских кораблей, и уже через несколько минут «Дюнкерк» получил попадания 3 снарядами калибра 381 мм. Одна из его башен немедленно вышла из строя. Было также повреждено котельное отделение и уничтожен один из главных генераторов, после чего корабль остался без электричества. Из-за этого его артиллерия замолчала. Он медленно покинул стоянку и в 18.13 бросил якорь у деревни Сен-Андре. Он сообщил, что прочно сел на грунт и стоит на ровном киле. Однако адмирал Эстева предпочел громогласно объявить, что линкор не был поврежден.
Старый «Прованс» тоже получил несколько попаданий 381-мм снарядами, которые причинили значительные повреждения. Этот линкор тоже был вынужден прекратить огонь, а потом «Прованс», как и флагман, под градом снарядов пересек гавань и выбросился на мель возле Розевилля. Только посадка на мель спасла его от гибели прямо в порту.