В 16.32 артиллерийский радар типа 284 на «Дюк оф Йорк» нащупал цель в 147 кабельтовых (27 200 м) и спустя 11 минут Фрэйзер отдал приказ «Белфасту», единственному крейсеру Бернета, который мог вступить в бой, выстрелить осветительными снарядами, а своим эсминцам — быть готовыми к торпедной атаке по сигналу адмирала. «Дюк оф Йорк» и «Ямайка» легли на курс 80°, чтобы использовать в бою и кормовые башни. Так немецкий корабль оказался зажат между Соединениями 1 и 2.
В 16.47 в небе неожиданно разорвались снаряды первого залпа. Однако на «Шарнхорсте» башни главного калибра были развернуты в походное положение, что немало удивило англичан. «Дюк оф Йорк» открыл стрельбу осветительными 133-миллиметровыми снарядами, а затем начал стрелять залпами с дистанции 11 000 метров. В 16.52 к нему с дистанции 12 000 метров удачно присоединился крейсер «Ямайка», его третий залп попал в цель. Хотя для «Шарнхорста» такое нападение оказалось неожиданным, после разрыва осветительных снарядов он сразу же открыл ответный огонь и немедленно повернул на север. Но немецкие 283-миллиметровые снаряды не могли пробить надежную броню, защищавшую жизненно важные части английского линкора. 356-миллиметровые снаряды первого же залпа попали в правый борт «Шарнхорста», как раз напротив башни «Антон». Башню с поднятыми орудиями заклинило, приводы горизонтальной и вертикальной наводки вышли из строя. В погребах от раскаленных осколков вспыхнул пожар, причем осколки пробили и огненепроницаемую дверь в погреба башни «Бруно». Погреба обеих башен сразу же были затоплены, однако под башней «Бруно» их осушили довольно быстро, и это практически не сказалось на скорости ее стрельбы. Люди работали по пояс в ледяной воде, стараясь спасти хотя бы часть боезапаса. Поврежденному кораблю удавалось поддерживать довольно высокую скорость. Второй снаряд попал в вентиляционный канал башни «Бруно», поэтому ее боевое отделение после каждого залпа заполнялось газами и дымом. Еще один снаряд разорвался около башни «Цезарь» и осколком пробил в батарейной палубе отверстие. Дыру быстро заделали, но отсеки, где разорвался снаряд, затопило водой и их не осушили. Осколки снаряда буквально обсыпали два самолета, изрешетили несколько зенитных орудий, уничтожив большую часть их обслуги. После этого капитан цур зее Хинтце отдал приказ уцелевшим членам экипажа укрыться.
Несмотря на повреждения, «Шарнхорст» все еще сохранял преимущество в скорости и вскоре начал отрываться от противника. Его смог преследовать только эсминец «Сэведж», который немцы никак не могли «сбросить с хвоста», хотя снаряды разрывались от него буквально в 20 метрах. Эсминцу удалось подойти так близко, что он мог бы обстрелять «Шарнхорст» торпедами. Но приказ о торпедной атаке «Сэведж» так и не получил, поэтому был вынужден повернуть. «Шарнхорст», под перекрестным обстрелом «Белфаста» и «Норфолка», свернул на восток и 30-узловым ходом начал быстро отрываться от противника. Фрэйзер приказал эсминцам атаковать «Шарнхорст», но те никак не могли подойти близко к цели. «Сэведж» и «Сомарец» шли слева сзади, а «Сторд» и «Скорпион» — справа и сзади от преследуемого противника. В 17.42 дистанция между противниками увеличилась настолько, что «Ямайка» прекратила огонь. И только флагману Фрэйзера удавалось методично обстреливать удаляющийся «Шарнхорст».
Англичане стреляли довольно метко: на немецком корабле одна за другой выходили из строя орудийные башни, осколки тяжелых снарядов проникали даже в погреба, выводя из строя работавшую на подаче обслугу. А около 18.00 в правый борт угодил снаряд, который пробил тонкий пояс верхней цитадели (45 мм) и батарейную палубу, срикошетил вдоль 80-миллиметровой нижней бронепалубы и в результате взорвался в котельном отделении № 1. Удар и взрыв были такой силы, что на корабле сначала решили, что это торпедное попадание. Были повреждены многие паропроводы четырех расположенных в этом отделении котлов. Осколки снаряда изрешетили двойное дно, вследствие чего отделение быстро затопило до уровня настила пола. Скорость корабля сразу же упала до восьми узлов. Были срочно предприняты аварийные меры, но при задраивании водонепроницаемых дверей и люков в котельном отделении, как в ловушке, оказались запертыми двадцать пять человек. Давление пара быстро увеличили, и старший механик фрегатен-капитан Отто Кениг сообщил на мостик: «Могу дать ход 22 узла». Командир корабля Хинтце ответил: «Браво, держите его!»
«Шарнхорст» вел огонь с дистанции 15–20 тысяч метров, и несколько его залпов достигли «Дюка оф Йорка».