Как только Стэрди доложили о приближении к Порт-Стэнли двух вражеских крейсеров, он тут же отдал приказ прекратить погрузку угля, приготовиться к бою и поднять якоря. В начале 11-го часа оба линейных крейсера уже вышли из гавани. Видимость была изумительной; море спокойное и ослепительно голубое; дул легкий северо-западный ветер. В 10.20 на флагмане подняли сигнал «общей погони». Английским линейным крейсерам потребовалось некоторое время, прежде чем они смогли развить свой ход до полного и сблизиться с немецкими кораблями на дистанцию артиллерийского огня. Около 13.00 рявкнули двенадцатидюймовки «Инвинсибла». С расстояния 14,5 км он выпустил несколько снарядов по «Лейпцигу», замыкавшему германскую кильватерную колонну. После этого фон Шпее отдал приказ своим легким крейсерам рассредоточиться и уходить. «Нюрнберг», «Лейпциг» и «Дрезден» повернули на запад и дали полный ход. Английские легкие крейсера «Кент», «Корнуэлл» немедленно пустились за ними в погоню. С этого момента сражение распалось на несколько очагов.
Германский адмирал решил дать бой только своими броненосными крейсерами. Поскольку «Шарнхорст» и «Гнейзенау» не могли развить более 18 узлов, избежать сражения было невозможно. Стэрди не стал немедленно сближаться на дистанцию решительного боя, на которой расход боеприпасов был бы наименьшим и которая обеспечила бы ему быструю победу. Он знал о высокой артиллерийской репутации двух своих противников и хотел избежать даже малейших повреждений своих линейных крейсеров. В бою на предельной дистанции риск для кораблей Стэрди отсутствовал вовсе, но зато расход снарядов почти наверняка должен был быть огромным.
Сначала «Инвинсибл» стрелял по «Гнейзенау», а «Инфлексибл» — по «Шарнхорсту», поменявшись целями, когда германские корабли изменили свое расположение. Комендоры «Шарнхорста» с третьего залпа попали в «Инвинсибл». Когда дистанция уменьшилась до 11 км, немцы ввели в дело и 152-мм орудия. Стэрди увеличил дистанцию до 14 км, а затем вышел за пределы артиллерийского огня. Около 14.00 обе стороны прекратили стрельбу. Фон Шпее в последний раз попытался спасти свои корабли: он круто повернул на юг, направляясь в воды, где можно было ожидать туманов, шквалов и пасмурной погоды. В первой фазе боя стрельба англичан оказалась исключительно плохой. «Шарнхорст» и «Гнейзенау» получили только по два попадания, и ни один из них не был серьезно поврежден. Разрушительная сила английских 305- мм снарядов оказалась гораздо меньше, чем можно было ожидать.
Примерно через час англичане снова пошли на сближение и возобновили стрельбу. Бой сделался жарким, дистанция вновь уменьшилась до 11 км. «Гнейзенау», который в начальный период боя потерял только 1 убитого и 10 раненых, теперь жестоко страдал. Весь его корпус вздрагивал от ударов тяжелых снарядов, в нескольких местах одновременно полыхали пожары. Вскоре стал явственно заметен крен на левый борт. «Шарнхорст» также страдал от огня. Огромные водяные столбы от падавших в воду 305-мм снарядов заливали пробоины в бортах германских крейсеров, не давая пожарам полностью охватить их. Стрельба англичан была бы точнее, если бы Стэрди не держал «Инфлексибл» в густом дыму флагманского корабля.
В начале 4-го стало ясно, что «Шарнхорсту» приходит конец: он сильно осел, на верхней палубе бушевало пламя. Тем не менее на нем развевался германский флаг, и он продолжал энергично стрелять уцелевшей артиллерией. Англичане были поражены стойкостью немцев, регулярностью и быстротой залпов. В 16.00 Шпее в пылу боя успел просигналить Меркеру, что последний был прав, высказавшись против нападения на Фолклендские острова, и приказал «Гнейзенау» уходить, если он сможет. После этого адмирал повернул свой флагманский корабль и пошел на англичан. Уцелела только одна из четырех труб «Шарнхорста», он имел большой и все возрастающий крен на правый борт, его корма была охвачена пламенем. В 16.04, дав последний залп из носовой башни, он стал медленно переворачиваться, короткий промежуток времени пролежал на борту с вращающимися винтами и наконец скрылся под водой носом вперед.