Ngày 24 tháng 10, mọi tàu chiến Mỹ có mặt trong khu vực đều được huy động chuẩn bị trong khi hạm đội Nhật đang đến gần, khai mào Trận chiến vịnh Leyte. "Pennsylvania" và năm thiết giáp hạm khác, cùng các tàu tuần dương và tàu khu trục trong lực lượng của Chuẩn Đô đốc Oldendorf di chuyển về phía Nam, và khi đêm xuống đã được bố trí chắn ngang lối ra vào phía Bắc của eo biển Surigao, chờ đợi sự xuất hiện của lực lượng đối phương. Đêm hôm đó, các tàu tuần tra ngư lôi (PT boat) Mỹ bố trí ngay lối vào phía Nam eo biển Surigao tấn công trước tiên bằng ngư lôi. Kế tiếp, lực lượng tàu khu trục bố trí hai bên sườn tiếp nối đợt tấn công bằng ngư lôi và hải pháo. Lúc 03 giờ 53 phút ngày 26 tháng 10, thiết giáp hạm "West Virginia" khai hỏa trước tiên, rồi nhanh chóng được các thiết giáp hạm và tàu tuần dương khác tham gia. Lực lượng Nhật Bản đã thẳng tiến vào một cái bẫy hoàn hảo: Chuẩn Đô đốc Oldendorf đã bố trí được đội hình tàu chiến của mình vào tư thế vốn là điều mơ ước của các nhà chiến thuật hải quân khi cắt ngang chữ T đội hình của đối phương. Phía Nhật bị mất hai thiết giáp hạm "Yamashiro" và "Fusō" cùng ba tàu khu trục trong trận chiến eo biển Surigao; tàu tuần dương "Mogami" cùng một tàu khu trục là những lực lượng duy nhất còn lại thoát ra được. Lực lượng của Chuẩn Đô đốc Oldendorf không bị bất kỳ thiệt hại nào, trong khi "Mogami" bị máy bay từ các tàu sân bay đánh chìm ngày hôm sau.