Hai ngày sau, khi một cuộc tấn công của Lục quân Nhật thất bại không thể đẩy lực lượng Mỹ khỏi Guadalcanal, Đô đốc Yamamoto một lần nữa gửi Hạm đội Liên hợp về phía Nam tìm cách vô hiệu hóa lực lượng hải quân Mỹ đang hỗ trợ cho lính Thủy quân Lục chiến trên đảo. "Atlanta" hoạt động trong thành phần Lực lượng Đặc nhiệm 64 cùng với "Washington", các tàu tuần dương "San Francisco" và "Helena" cùng hai tàu khu trục, trong khi các lực lượng đối địch giao chiến với nhau trong Trận chiến quần đảo Santa Cruz vào ngày 26 tháng 10. Ngày hôm đó, "Atlanta" tuần tra phía sau nhóm tiếp nhiên liệu hỗ trợ cho hai lực lượng đặc nhiệm tàu sân bay Mỹ. Vào ngày 27 tháng 10, khi tàu ngầm Nhật "I-15" tấn công Lực lượng Đặc nhiệm 64, lực lượng này đã cơ động với tốc độ cao rời khỏi khu vực.