Примерно в поддень адмиралу Фрезеру пришлось принимать сложное решение, так как запасы топлива на его эсминцах стали подходить к концу. Ему пришлось выбирать: следовать в Кольский залив или возвращаться в Исландию. Существовала вероятность, что после стычки с крейсерами противник отменил операцию и взял курс на Альтен-фиорд. В этом случае шансов перехватить его почти не оставалось, поэтому риск появления в Баренцевом море мог оказаться неоправданным. Но в 12.05 проблема разрешилась сама собой, так как с «Белфаста» пришло сообщение, что он снова установил контакт с «Шарнхорстом». Линейный крейсер находился в 15 милях на ONO от него. «После этого я понял, что у нас есть все шансы поймать противника», — писал позднее адмирал Фрезер. Вражеский корабль шел на запад со скоростью около 20 узлов. Так как английские крейсера шли на восток, дистанция стремительно сокращалась. В 12.21 «Шеффилд» заметил вражеский корабль, и все 3 крейсера немедленно открыли огонь с дистанции 5,5 миль. Снова «Шарнхорст» немедленно отвернул прочь, что помешало эсминцам капитана 2 ранга Фишера использовать свои торпеды. Началась перестрелка, которая продолжалась около 20 минут. За это время «Норфолк» получил 2 попадания 280-мм снарядами. Одна башня на нем была разбита, а радарные установки вышли из строя. В 12.41 Барнетт приказал своим кораблям прекратить огонь. Он начал преследование линейного крейсера, который уходил на SSO со скоростью 28 узлов, что позволяло «Дьюк оф Йорку» без труда перехватить его. Дениц снова заметил, что Бей должен был продолжить бой с крейсерами, особенно потому, что на сей раз выгоды освещения были на его стороне. Британские корабли были четко видны на западном горизонте. И снова Бей оказался в трудном положении, так как с ним не было эсминцев, поэтому он не мог похвастаться тем, что удача была на его стороне. Если бы он повредил крейсера, вынудив их снизить скорость, или повернул на юго-запад против волны и оторвался бы от преследователей, он получил бы хорошие шансы на спасение. В 13.06 командующий силами Люфтваффе на Лофотенских островах передал по радио рапорт самолета, полученный 3 часа назад. Однако при этом он опустил упоминание о крупном корабле. Это сообщение наверняка было получено на «Шарнхорсте», но какое действие оно возымело, нам не известно. Если бы Бей предположил, что речь идет о линкоре, и проложил на карте курс английской эскадры от точки, где она была обнаружена в 10.12, то он сразу понял бы, что «Шарнхорст», следуя выбранным курсом, почти наверняка столкнется с англичанами. Но Бей, похоже, не подозревал о грозящей опасности и продолжал двигаться на SSO. В 15.25 он передал в штаб Группы ВМФ «Север» расчетное время прибытия в базу.
Тем временем немецкие эсминцы подтянулись к тому, который находился южнее всех, и повернули на запад, разыскивая конвой. Они были совсем близко к успеху, так как около 13.00 прошли всего в 8 милях южнее конвоя, не заметив его. В 14.18 Бей приказал им прекратить операцию. Капитан 1 ранга Иоханнесен заспорил было, но через 2 минуты получил приказ возвращаться в базу. После этого эсминцы пропали с места событий.
Всю вторую половину дня адмирал Барнетт вместе 3 крейсерами и 4 эсминцами в лучших традициях крейсерской войны продолжал следить за вражеским кораблем, постоянно сообщая адмиралу Фрезеру о его маневрах. Это позволило главнокомандующему Флотом Метрополии привести в исполнение план боя, который он разработал еще до выхода в море как раз на такой случай. Он намеревался сблизиться на дистанцию 6 миль, прежде чем открыть огонь, надеясь, что противник не обнаружит «Дьюк оф Йорк». В этом случае 356-мм снаряды английского линкора смогут пробить поясную броню противника, а в ночном бою тот, кто нанесет первый удар, получает большое преимущество. К тому же Фрезер знал, что высокая скорость «Шарнхорста» позволит ему попытаться ускользнуть, если огонь будет открыт слишком рано. Поэтому линейный крейсер может выскочить за пределы эффективной досягаемости орудий «Дьюк оф Йорка» еще до того, как получит серьезные повреждения. На малой дистанции идущие настильно снаряды не смогут пробить броневую палубу, которая прикрывает наиболее важные части корабля, но увеличение вероятности попадания перекрывало это неудобство.
В 16.17 «Шарнхорст», который находился в 22 милях на NNO от английского флагмана, был обнаружен радаром «Дьюк оф Йорка». В это же время Бей впервые понял, что вражеские корабли следят за ним и передал по радио сообщение об этом. Дистанция быстро сокращалась, и командир «Дьюк оф Йорка» капитан 1 ранга достопочтенный Г.Г. Рассел приказал зарядить орудия. Он ждал сообщения из боевого информационного поста, что наступил момент повернуть вправо и ввести в действие всю артиллерию. В соответствии с приказом адмирала Фрезера 4 эсминца увеличили скорость и начали выдвигаться вперед, по двое с каждого борта линкора. Это была идеальная позиция для торпедной атаки, когда будет замечен противник. В 16.32 артиллерийский радар «Дьюк оф Йорка» обнаружил цель на расстоянии 14 миль. Через 12 минут из БИП поступило сообщение, что пора подготовить всю артиллерию, и линкор повернул вправо на 30°. Одновременно «Белфаст» открыл огонь осветительными снарядами, то же самое сделал и «Дьюк оф Йорк». Через несколько секунд стал четко виден «Шарнхорст», разрезающий отороченные белой пеной волны. Его башни были развернуты по-походному. В 16.50 «Дьюк оф Йорк» и «Ямайка» открыли огонь, и битва началась. Противник немедленно отреагировал на внезапное нападение и тут же повернул влево, на север. «Дьюк оф Йорк» повернул следом, но артиллерийский огонь двух крейсеров Барнетта («Шеффилд» сильно отстал из-за поломки кронштейна гребного вала) вынудил «Шарнхорст» снова повернуть вправо. Линейный крейсер пошел на восток, «Дьюк оф Йорк» и «Ямайка» гнались за ним, держась на правой раковине. Оправившись от шока внезапности, капитан 1 ранга Хинтце быстро ввел в действие свою артиллерию. Сначала стрельба «Шарнхорста» была беспорядочной, но вскоре она улучшилась, и снаряды стали ложиться в неприятной близости от «Дьюк оф Йорка». Оба корабля применяли одну и ту же тактику — чуть доворачивали вправо, чтобы дать залп всем бортом, а потом ложились на прежний курс, пока не будут готовы все орудия. 4 эсминца получили приказ адмирала Фрезера не использовать торпеды, пока он не отдаст специальный приказ. Может быть, это следовало сделать до начала артиллерийской дуэли, но Фрезер потом объяснил, что не хотел попусту расходовать торпеды, так как неповрежденный «Шарнхорст» легко мог от них уклониться. В результате перед эсминцами встала перспектива затяжной погони. Хотя в 17.13 они получили приказ атаковать, сближение происходило мучительно медленно, и они все еще были на расстоянии 6 миль от «Шарнхорста». У адмирала Фрезера, который следил за происходящим на экране радара, родилось неприятное ощущение, что противник может ускользнуть, несмотря на великолепное взаимодействие английских кораблей. Через 25 минут после начала боя крейсера Барнетта были вынуждены прекратить огонь, так как дистанция стала слишком велика для них. Бой превратился в дуэль между двумя линкорами, причем противни имел преимущество в скорости на 4 узла. Хотя «Шарнхорст» представлял собой не самую лучшую мишень, стрельба «Дьюк оф Йорка» была исключительно точной. Он постоянно накрывал своего противника, который тоже делал все, что мог. Обе мачты «Дьюк оф Йорка» были пробиты 280-мм снарядами, которые, к счастью, не взорвались. Однако один из этих снарядов вывел из строя антенну артиллерийского радара. Чтобы исправить ее, лейтенант Г.Р.К. Бейтс в кромешной тьме вскарабкался на мачту, и вскоре радар снова действовал. Дистанция между кораблями постепенно увеличивалась, и вместе с ней росли шансы на смертельный удар. Теперь снаряды падали по более крутой траектории, и вместо толстого пояса они встречали лишь относительно тонкие броневые палубы. Внезапно в 18.20 «Шарнхорст» прекратил огонь. Адмирал Фрезер заметил, что 4 эсминца, от которых зависело так много, начали догонять противника. Вероятно, вторым или третьим залпом «Дьюк оф Йорк» попал в кормовую часть «Шарнхорста» вблизи ватерлинии, и теперь затопление вынудило немецкий корабль снизить скорость.[5] Эсминцы «Сэведж» и «Сомарец», атаковавшие с северо-запада, были встречены плотным огнем средней артиллерии, зато «Скорпион» и «Сторд» сумели незаметно подойти с правого борта на расстояние 3000 метров. Внезапно немцы увидели их, и «Шарнхорст» круто повернул вправо, но оба эсминца выпустили торпеды, добившись, по крайней мере, одного попадания. В результате этого поворота «Сэведж» и «Сомарец» оказались чуть впереди правого траверза «Шарнхорста», что сразу использовали, выпустив 12 торпед из имевшихся 16. По крайней мере, 3 из них попали в цель. (Один торпедный аппарат на «Сомареце» был поврежден артогнем.) Теперь судьба «Шарнхорста» была решена.
