День был спокойным и ясным, отличная видимость, слабая волна. В 16.12 был замечен противник, который следовал 3 колоннами. Справа шел Танака на «Дзинцу» вместе с 7 эсминцами; тяжелые крейсера Такаги «Нати» и «Хагуро» в центре; Нисимура на «Наке» с 6 эсминцами шел слева. В 16.16 тяжелые крейсера завязали перестрелку на расстоянии 28000 ярдов, то есть почти 14 миль. Эскадра эсминцев Танаки подошла к «Юпитеру» и «Электре» на расстояние 18000 ярдов и обстреляла их. Англичане просто не могли отвечать из своих 4.7″ орудий. Если бы Доорман следовал прежним курсом, он позволил бы Такаги повторить знаменитый маневр «crossing-T», выполненный адмиралом Того при Цусиме. Голландский адмирал изменил курс с NW на W параллельно противнику. Он решил сократить дистанцию, чтобы позволить легким крейсерам использовать свои 6″ орудия. В последовавшей артиллерийской дуэли японцы использовали для корректировки огня гидросамолеты, что дало им преимущество. В 16.31 первый снаряд попал в «Де Рейтер», но к счастью не взорвался. Такаги приказал выполнить первую торпедную атаку. Все 18 его кораблей были вооружены торпедами. За 19 минут, с 16.33 до 16.52, японцы выпустили 43 мощных быстроходных «лонг лэнса», но не добились на одного попадания. Слишком велика была дистанция. Оба соединения следовали на запад со скоростью 25 узлов или больше, ведя яростный огонь, хотя попаданий пока не было. Эта фаза боя продемонстрировала одно из неожиданных открытий Второй Мировой войны: артиллерийский огонь при больших дистанциях и высоких скоростях неэффективен.
Снова японцы захватили инициативу. В 17.00 отважный Танака повернул, чтобы пересечь курс Доорману и выполнить вторую торпедную атаку. У него почти не было шансов добиться попаданий по узким силуэтам, видимым с носа. Однако в 17.08 8″ снаряд попал в «Эксетер» и вывел из строя 6 котельных отделений из 8. Крейсер потерял ход и вывалил из колонны, повернув на 90° влево. «Хьюстон», «Перт» и «Ява» решили, что он выполняет приказ Доормана и повернули следом. Флагмана они в дыму не видели. «Де Рейтер», который еще минуту или две шел в одиночестве на запад, сделал то же самое. В результате эскадра союзников превратилась в беспорядочную кучу, как раз когда торпеды Танаки нырнули в воду. Теперь он просто не мог промахнуться и не промахнулся. В 17.25 эсминец «Кортенар» взорвался, сложился пополам, как перочинный ножик, и затонул.
Такаги увидел, что эскадра союзников сломала строй и снизила скорость до 15 узлов после несчастья на «Эксетере». Японский адмирал решил, что это его шанс. Он приказал добить противника, но Доорман отправил 3 британских эсминца в контратаку сквозь дым на NW. Как раз в этот момент эскадра Танаки шла им навстречу. К этому времени уже было достаточно темно, место боя заволокли облака дыма, сквозь который мелькали случайные вспышки сигнальных прожекторов.
Орудия «Электры», который получил этот приказ в 17.25, добились попадания в «Дзинцу». Но в ответ эсминец получил снаряд в котельное отделение и потерял ход. Танака рвался вперед, чтобы найти и прикончить подбитый «Эксетер», но его попытку расстроили эсминцы «Юпитер», «Витте де Витт» и «Энкаунтер». Тогда противник всеми силами обрушился на «Электру». Эсминец затонул в 18.00, оправдав свое трагическое имя.
Тем временем Доорман отправил «Эксетер» в сопровождении «Витте де Витта» в Сурабаю. Он перестроил свою колонну, и теперь корабли следовали в таком порядке: «Де Рейтер», «Перт», «Хьюстон», «Ява» и 4 американских эсминца. Крейсера вели перестрелку с противником на большой дистанции, в ходе которой «Хьюстон» получил 2 невзорвавшихся снаряда. Когда Доорман шел на юг, Такаги решил, что он отходит, и передал конвою (который повернул на север), чтобы тот снова двигался к месту высадки. Он отправил эскадру Нисимуры в погоню за союзниками, чтобы добить их. Нисимура не добился ни одного попадания, хотя его эскадра расстреляла все торпеды.
Доорман приказал американским эсминцам прикрыть его отход. Командир дивизиона капитан 2 ранга Т.Г. Бинфорд решил, что атака это лучшая защита и повернул на север, чтобы выпустить торпеды по «Нати» и «Хагуро». К несчастью американские торпеды могли выпускаться только по траверзу. В сложившейся ситуации попытка выйти на нужную дистанцию изначала неминуемое уничтожение эсминцев японской артиллерией. Поэтому Бинфорд рискнул выпустить торпеды с дистанции 10000 ярдов. Все они прошли мимо. После перестрелки с эсминцем «Асагумо», в ходе которой японец пострадал, четырехтрубники поспешили на соединение с адмиралом Доорманом.