ОС 39, состоявшее из 4 легких крейсеров, шло на N, прикрытое справа эсминцами авангарда, находившимися в 1000 ярдов от крейсеров. Слева по корме располагались эсминцы арьергарда. Когда был установлен контакт, японцы находились в 20000 ярдов на NW от ОС 39.

Бой не удался адмиралу Омори. Видимость была скверной, у него не было радара, донесения его самолетов только сбивали с толка, а намеченные им сложные маневры были чересчур сложны для наспех собранного соединения. Более того, он не имел понятия, каковы силы противника. Сначала его самолет сообщил о 3 американских линкорах, множестве крейсеров и эсминцев у мыса Торокина. Потом в 1.26 "Хагуро" поднял самолет, который в 1.40 сообщил о минных заградителях, 1 крейсере и 3 эсминцах в 20 милях южнее кораблей Омори. В этот момент Омори приказал повернуть на обратный курс "всем вдруг". Это очень сложный маневр для идущих сомкнутым строем в полной темноте кораблей. Он хотел обмануть противника и дождаться новых сообщений от самолетов-разведчиков. Вскоре после этого он приказал выполнить еще один поворот на 180°. К этому времени его колонны пришли в расстройство. Левая оказалась всего в 300 ярдах от главных сил, "Самидарэ" вообще потерял место в строю. Вскоре после этого наблюдатели "Сигурэ" заметили противника, что окончательно запутало Омори.

Оперативное Соединение 39 шло на север, и радар "Монпелье" уже обнаружил японские корабли. В 1.31 адмирал Меррилл приказал 4 головным эсминцам, развернуться влево и атаковать противника. (На экране радара показался "Сендай"). Через 8 минут группа Меррилла выполнила одновременный поворот, который освободил концевые эсминцы для торпедной атаки. Через минуту после того, как "Сигурэ" увидел противника, "Осборн", "Дайсон", "Стэнли" и "Класкстон" выпустили 25 торпед. Потом они разделились на 2 группы, первая пара просто повернула вправо, а вторая описала петлю в этом же направлении, приблизившись к легким крейсерам.

"Сигурэ" сообщил о 2 отходящих эсминцах и 2 следующих параллельно колонне "Сендая". "Сендай" отреагировал крутым поворотом вправо, так как было похоже, что американские торпеды идут на японские корабли с траверза. Но более ранняя потеря строя теперь сказалась роковым образом. "Сендай" повернул круче, чем "Сигурэ" и они почти столкнулись. "Самидарэ", пытаясь уклониться от "Сендая", врезался в "Сирацую", пробив ему левый борт и искорежив палубу. Оба эсминца загорелись, хотя "Самидарэ" и сумел выпустить 8 торпед в 1.52. "Сигурэ" тоже выпустил 8 торпед в 1.48, "Сендай" дал такой же залп в 1.50. Но теперь в бой вступили американские легкие крейсера, которые открыли огонь в 1.50. Как обычно при управлении стрельбой с помощь радара, огонь был сосредоточен на самой крупной цели. В 1.51 "Сендай" получил первые 3 залпа от американских 6" орудий. Он был буквально засыпан металлом и мгновенно загорелся.

Адмирал Омори на "Мьёко" увидел пылающий "Сендай" у себя на левом траверзе, хотя считал, что тот находится слева по носу. Омори попытался перестроить свои корабли, описав циркуляцию влево и выйдя на курс SSW. В это время "Агано" и его 3 эсминца сблизились с американцами.

Когда пришел приказ перестроиться, колонна "Агано" поворачивала последовательно вправо, заставив "Мьёко" и "Хагуро" прорезать ее строй. "Мьёко" отрезал нос эсминцу "Хацукадзэ" и повредил его торпедные аппараты. (Носовая часть "Хацукадзэ" все еще висела на форштевне крейсера, когда "Мьёко" вернулся в Рабаул.) "Хагуро" едва избежал столкновения с "Наганами" и "Вакацуки".

В ответ крейсера Меррилла выполнили серию сложных маневров, включая восьмерку с севера на юг. Когда японские тяжелые крейсера пошли прямо на S, американские крейсера шли на SW строем фронта. Потом они повернули на W и наконец построились в кильватерную колонну, идущую на N. Наконец завязался бой между японскими тяжелыми крейсерами и американским легкими. "Мьёко" и "Хагуро" открыли огонь в 2.15 и в свою очередь были накрыты огнем американцев. В 2.18 они выпустили 24 торпеды, но ни одна из сторон не добилась попаданий, и в 2.29 Омори приказал отходить.

Концевые американские эсминцы так и не выполнили торпедную атаку, которой от них ожидали. В "Фут" попала торпеда, выпущенная по крейсерам, и оторвала ему корму. Однако его удалось отбуксировать на ремонт.

Японцы совершенно очевидно проиграли этот бой, хотя имели более тяжелые орудия. "Сендай" был потоплен. I-37 подобрала адмирала Идзюи-на и 37 человек экипажа, но остальные погибли. (Экипаж крейсера обычно состоял из 450 человек.) Американские эсминцы позднее потопили потерявший нос "Хацукадзэ" артогнем, однако, весь его экипаж кроме 9 человек был спасен. "Самидарэ" получил 2 прямых попадания и был поврежден при столкновении, но управляясь вручную, он сумел добраться до Рабаула, как и "Сирацую". "Агано" получил незначительные повреждения от близких разрывов, боевые донесения "Хагуро" и "Мьёко" умалчивают о потерях и повреждениях. Маневрирование Омори и столкновения принесли японцам больше вреда, чем ливень 5" и 6" снарядов и две дюжины торпед, выпущенные по их кораблям. Так как Омори бесславно вернулся, вторжение на Бугенвилль остановить было уже нельзя.

После поражения адмирала Омори адмирал Кога решил усилить 8 Флот, стоящий в Симпсон-Харборе, Рабаул, так как высадку американцев на Бугенвилле теперь предотвратить было невозможно. Он послал в Рабаул самые заслуженные корабли 2 Флота: тяжелые крейсера "Атаго", "Тёкай", "Майя", "Такао", "Могами", "Судзуя" и "Тикума" вместе с легким крейсером "Носиро" и 4 эсминцами под командой вице-адмирала Такеб Курита.

Когда эту новость получил адмирал Хэлси, у него не было ни линкоров, ни тяжелых крейсеров. Все они перешли в центральную часть Тихого океана, где готовилась высадка на Гилбертовы острова (Тарава — Макин). Он располагал Оперативным Соединение 38 контр-адмирала Фредерика К. Шермана. Это было быстроходное авианосное соединение, построенное вокруг тяжелого авианосца "Саратога" и легкого авианосца "Принстон". Хэлси решил рискнуть и послать их в точку к югу от мыса Торокина, в 230 милях юго-восточнее Рабаула. Оттуда они должны были выслать свои самолеты, полагаясь на внезапность и слабое воздушное прикрытие, которое обеспечивало командование ВВС на Соломоновых островах. Погода благоприятствовала ОС 38, и Шерман шел на север под прикрытием туч и дождевых шквалов. Хотя его корабли и были замечены самолетами-разведчиками противника, они не опознали авианосцы и приняли эскадру за подкрепления, посланные в район высадки на Бугенвилле.

Японское соединение прибыло в Рабаул около 7.00 5 ноября. Там уже находились легкие крейсера "Агано" и "Юбари" и 7 эсминцев. Небо в Рабауле было солнечным и чистым, совершенно идеальным для внезапной атаки. Когда примерно в 10.00 прозвучал сигнал воздушной тревоги, большинство кораблей не смогло дать ход и покинуть гавань, чтобы рассредоточиться. "Саратога" и "Принстон" подняли самолеты в 9.00, выслав 52 истребителя "Хеллкэт", 23 торпедоносца "Авенджер" и 22 пикирующих бомбардировщика "Доунтлесс".

Самолеты были замечены над Рабаулом в 10.20. Авианосные пилоты держались компактной группой до самой атаки, что давало наилучшую защиту от японских истребителей до последнего момента. Налет завершился в 10.44, после того как большинство японских кораблей получили тяжелые повреждения. Возле "Атаго" разорвались 3 бомбы, изрешетившие були и корпус. Были повреждены и машины и вооружение, погибло 22 человека, в том числе капитан, ранены 60 человек. "Майя" уже дал ход, чтобы покинуть гавань, но получил попадание в авиационную палубу. Последовала серия взрывов, и пламя охватило все машинные отделения, заставив корабль потерять ход. 70 человек были убиты, 60 — ранены. "Тикума" отделался легко — поверхностными повреждениями корпуса и вооружения. Крейсер уже в 20.38 в тот же день ушел на Трук, а 20 ноября отправился на Эниветок. "Могами" покинул гавань в 10.37, но перед этим получил попадание и загорелся, возможно от торпеды. Погреба башен № 1 и № 2 были затоплены. В 10.45 встали машины, и экипажу пришлось сосредоточиться на борьбе с пожарами. Вечером он ушел на Трук в сопровождении "Судзуи" и эсминца "Таманами", имея тяжелые повреждения носовой части. "Такао" получил бомбы в правый борт рядом с башней № 2, что привело к тяжелым повреждениям корпуса и машин. "Судзуя", который в момент начала атаки двигался к "Натуро" для дозаправки, сумел увернуться от бомб и отделался мелкими царапинами. 3 легких крейсера — "Агано", "Носиро" и "Юбари" — повреждений не получили. Из эсминцев "Фудзинами" получил попадание невзорвавшейся торпедой, "Амагири" и "Вакацуки" были легко повреждены.