После этого «Арк Ройял» направился в Южную Атлантику на поиски немецкого карманного линкора «Адмирал граф Шпее», который угрожал британскому торговому судоходству. К поискам рейдера были подключены авианосцы «Глориес», «Гермес», «Игл» и даже маленький «Аргус», а также множество других кораблей. «Арк Ройял» и линейный крейсер «Ринаун» покинули отечественные воды 2 октября 1939 года и взяли курс на юг, чтобы присоединиться к другим охотникам. Так как кораблям предстояло пройти большое расстояние на высокой скорости, чтобы попасть в район действий немецкого рейдера, с «Арк Ройялом» и «Ринауном» не было эсминцев. Лишь в Южной Атлантике к ним должны были присоединиться 3 эсминца из Кейптауна.
Отсутствие эсминцев сыграло с англичанами злую шутку. 19 октября самолет «Арк Ройяла» заметил неизвестное судно, которое было опознано как американский сухогруз. Два больших корабля не могли останавливаться для досмотра из опасения подвергнуться атаке подводных лодок, и незнакомцу было позволено проследовать своим путем. Позднее выяснилось, что на самом деле это было немецкое судно снабжения «Альтмарк», с которого несколько раз заправлялся «Граф Шпее». (Позднее «Альтмарк» был взят на абордаж в норвежских водах английским эсминцем «Коссак» капитана 1 ранга Филиппа Л. Вайэна, о котором мы еще услышим.)
На следующий день было встречено греческое торговое судно, которое отказалось остановиться для досмотра даже после того, как самолет сбросил бомбу у него прямо по курсу. 21 октября к «Арк Ройялу» и «Ринауну» присоединились 3 эсминца. Иногда в состав Соединения К, как теперь называлась эскадра, входили другие корабли. Авианосные самолеты продолжали прочесывать тысячи квадратных миль океана.
Патрульные полеты над пустынным океаном, когда не видишь ничего, кроме моря и неба, крайне занудны и утомительны. Но однажды скука была прервана трагедией. Во время совместного полета 2 «Суордфиша» попали в тучу. Самолеты слишком сблизились, и пропеллер одного из них отрубил хвост другого. Пилот пострадавшего торпедоносца сначала подумал, что у него заело управление. Он огляделся вокруг и обнаружил, что его самолет лишился хвостового оперения. Летчики на этих самолетах обычно не надевали парашюты, а держали рядом, чтобы надеть только в случае необходимости прыгать. После того как самолеты столкнулись, один пулеметчик выпрыгнул из кабины, забыв про парашют. Он упал в воду с высоты 3000 футов, но остался жив. Из экипажей двух самолетов погибли 2 человека.
Соединение К патрулировало в Южной Атлантике в течение октября, ноября и начала декабря с короткими заходами во Фритаун и Кейптаун для дозаправки. В конце ноября Соединение К и «Граф Шпее» разошлись на встречных курсах вне радиуса действия воздушного патруля авианосца.
13 декабря стало несчастливым днем для немецкого рейдера. В 18.14 он был замечен соединением из 3 английских крейсеров. Хотя немецкий карманный линкор превосходил по огневой мощи всю английскую эскадру, английский адмирал принял бой. Рейдер был поврежден, и ему пришлось искать убежища в Монтевидео. Однако английские крейсера тоже серьезно пострадали и остались почти без боеприпасов. «Арк Ройял» и «Ринаун» находились в 2000 миль и 3 днях пути от места боя. Оба корабля сразу же на полной скорости помчались к Монтевидео. Но на высокой скорости топливо расходовалось очень быстро, а корабли находились в море уже 2 недели, когда «Граф Шпее» был загнан в ловушку. Английские корабли были вынуждены сделать остановку на 12 часов в Рио-де-Жанейро, чтобы принять топливо. В это время немецкий рейдер мог попытаться прорваться в море, а английские крейсера, которые его караулили, просто не могли принять бой. В Рио-де-Жанейро большая немецкая колония просто не поверила своим глазам, когда увидела, что «Арк Ройял» вошел в порт и принимает топливо. Берлинская пропаганда убедила их, что авианосец потоплен лейтенантом Франке. Одна из газет Рио даже сообщила, что порт посетила самая большая в мире подводная лодка!
Командир немецкого рейдера получил сообщение, что «Арк Ройял» и «Ринаун» идут к Монтевидео. Хотя английские корабли еще находились в пути, был пущен слух, что они подошли к порту и скрываются за горизонтом, ожидая выхода «Графа Шпее» в море. Чтобы не вести свою команду на убой в безнадежном бою с превосходящими силами, немецкий капитан затопил карманный линкор на внешнем рейде. Таким образом, самолеты «Арк Ройяла» потеряли возможность атаковать линкор, хотя бы и карманный.