С «Аякса» — флагмана группы — был выпущен в воздух с помощью катапульты самолет «Сифокс». Сложности запуска и последующего подъема на палубу самолетов кораблями такого класса привели к тому, что это был единственный случай боевого применения авиации надводными кораблями. На большинстве кораблей Королевского флота место, отведенное под самолеты, катапульты и ангары, вскоре заняли радары и зенитные орудия. Увидев в воздухе разведывательный самолет, «Граф Шпее» развернулся и поставил дымовую завесу. Тактические сложности имелись у обеих сторон. В то время как орудия «Графа Шпее» значительно превосходили дальнобойностью орудия его противников, неприятельские корабли находились от него как с правого, так и с левого борта, и капитан германского крейсера долго колебался, выбирая цель.

Наконец «Граф Шпее» открыл огонь с максимального расстояния. Сначала одна башня вела огонь по правому борту, а другая по левому, но затем все шесть орудий главного калибра сосредоточили огонь на «Эксетере», чьи 8-дюймовые орудия представляли основную угрозу. На британских кораблях радаров не было, а тем временем германский радар «Зеетакт» позволил «Графу Шпее» поразить орудийную башню и главный руль «Эксетера». Если бы не то обстоятельство, что некоторые германские снаряды не взорвались, крейсер обязательно бы потонул. После неудачной попытки выпустить торпеды «Эксетер» вышел из боя с креном на правый борт и зарываясь носом в волну. В трюме бушевал пожар, вода от фонтанов, поднимаемых близкими разрывами, привела к замыканию электрических цепей управления последней уцелевшей орудийной башней. Телефонная связь и радиосвязь также вышли из строя. Существовала реальная опасность того, что «Эксетер» потонет.

Возможно, Лангсдорфф сблизился бы с поврежденным кораблем и добил бы его, но тут оба легких крейсера набросились на «Графа Шпее», отвлекая внимание на себя. Они перемещались очень быстро, уклоняясь от смертельных попаданий орудий главного калибра, не способных достаточно быстро менять угол возвышения и направление.

После полуторачасового боя, в течение которого британским кораблям удавалось подойти к «Графу Шпее» настолько близко, чтобы использовать артиллерию вспомогательных калибров, все четыре корабля получили повреждения. Получив два попадания 11-дюймовых снарядов, «Аякс» лишился двух из четырех орудийных башен, а в третьей отказал подъемник. Прощальный залп «Графа Шпее» снес главную мачту. Три орудия главного калибра еще действовали, но «Аякс» израсходовал 80 процентов своего боезапаса. «Ахиллес» пострадал меньше всего, но у него не было радиоуправления системой огня. «Граф Шпее» получил много попаданий, но вся его артиллерия оставалась исправной.

Бой был прерван британским командиром, поставившим дымовую завесу. Несомненно, Лангсдорффу следовало бы добить искалеченную троицу, но он этого не сделал. Впоследствии говорили, что во время боя он был ранен и потерял сознание. Возможно, этого оказалось достаточно, чтобы он принял решение направиться в нейтральный порт.

По некоторым данным, «Эксетер» получил больше сотни прямых попаданий. Пять из шести его орудий главного калибра были выведены из строя, корабль был охвачен огнем и окутан дымом, так что немцы ждали, что он вот-вот взорвется и потонет. Имея на борту 61 погибшего члена экипажа и много раненых, «Эксетер» с трудом добрался до Фолклендских островов, а два легких крейсера проследили за «Графом Шпее» до нейтрального уругвайского порта Монтевидео.

Если бы Германия имела доступ к тем ремонтным службам, которыми заблаговременно обзавелась во всех стратегических точках земного шара Великобритания, «Граф Шпее» смог бы пополнить боезапас и быстро починить незначительные повреждения, способные привести к серьезным последствиям в случае шторма. Но германские корабли были лишены такой возможности в дальних морях. С более решительным капитаном «Граф Шпее», возможно, повернул бы на север, несмотря на полученные в бою повреждения и 36 убитых и 59 раненых из состава команды. Но этого не произошло.

Когда «Граф Шпее» вошел в Монтевидео, многие местные жители, выходцы из Германии, его тепло приветствовали, но дипломаты сразу же начали острый спор о правах нахождения боевого корабля одной из воюющих стран в нейтральном порту. В итоге уругвайское правительство дало Лангсдорффу 72 часа на то, чтобы покинуть Монтевидео — минимальный срок, положенный по международным законам. Этого времени было недостаточно для того, чтобы исправить повреждения. Лангсдорфф пытался нанять самолет, чтобы определить, сколько британских кораблей ждут его в море, — но безуспешно.

Для того чтобы заставить Лангсдорффа отказаться от мысли пробиваться на север силой, британцы всеми способами старались создать впечатление, что в море «Графа Шпее» ожидает крупное соединение. План дезинформации включал в себя радиобюллетени Би-би-си; в нем принял участие британский военно-морской атташе, который, зная, что его телефоны прослушиваются, позвонил послу в Буэнос-Айрес и сообщил ему, что адмиралтейство требует к вечеру доставить 2 тысячи тонн горючего на аргентинскую военную базу Map-дель-Плата для двух крупных британских кораблей. Этого оказалось достаточно, чтобы поползли слухи. Несомненно, Лангсдорфф поверил в то, что при выходе из Монтевидео на него обрушатся значительные силы.

Вечером 17 декабря «Граф Шпее» отошел от причала. За ним следили журналисты и кинооператоры всех стран мира. Солнце скрылось за горизонтом, огромный корабль остановился и, к изумлению большинства наблюдавших, взорвался. Над открытыми лифтами, ведущими к главным снарядным магазинам, были подвешены боевые головки торпед. Запалами служили пропитанные мазутом канаты. Взрыв в носовой части корабля прошел как намечено, но хлынувшая морская вода, загасив запалы, предотвратила взрыв в кормовой части. «Граф Шпее» осел носом в воду. Лангсдорфф застрелился. Команда крейсера была интернирована, но многие моряки бежали в Германию и продолжили службу.

Как выяснилось, конструкторы, говорившие, что создание германских «карманных» линкоров изначально было ошибкой, оказались правы. Рейдеру, совершающему набеги на торговые коммуникации, не нужны И-дюймовые орудия, чтобы топить беззащитные суда. Вооруженный более слабой артиллерией, он получился бы легче и быстроходнее. Рейдер должен уметь нанести быстрый удар и стремительно покинуть место боя.

Однако в настоящее время уже почти не говорится о том вкладе, который внес в этот и другие морские бои германский радар, используемый для наводки артиллерии. В течение всей войны германские морские артиллеристы совершали «удачные попадания», что иначе можно назвать точной наводкой орудий. На британское адмиралтейство произвели настолько сильное впечатление действия «Графа Шпее», что оно предложило правительству Уругвая 14 тысяч фунтов за дымящийся корпус крейсера, чьи палубы оставались над водой. Нахлынувшие британские специалисты по радарам изучили, зарисовали и демонтировали радар «Зеетакт». Вскоре крейсера «Эксетер» и «Аякс» были оснащены британским радаром «Тип 79», применявшимся в противовоздушной обороне, но им можно было пользоваться и для наводки орудий; по своим характеристикам он ненамного уступал «Зеетакту».

В то время как Редер, главнокомандующий германского флота, заявил, что «Графу Шпее» следовало бежать, а не вступать в бой, а Гитлер с трудом перенес гибель крейсера, она их не остановила. В зиму 1940/41 года «Адмирал Шеер», «Гнейзенау» и «Адмирал Хиппер» покинули порты, чтобы совершать набеги на атлантические коммуникации. У чинов из адмиралтейства были причины для беспокойства, так как германский морской код «Энигма» до сих пор оставался невскрытым, а действия «Графа Шпее» показали, сколько неприятностей может доставить надводный рейдер. Драгоценные боевые корабли — в том числе линкоры, крейсеры и авианосцы — все последующие годы гонялись за германскими кораблями-призраками, «замеченными на горизонте» пугливыми торговыми моряками.