"Barbaros Hayreddin"in katıldığı ikinci muharebe olan Mondros Deniz Muharebesi ise, Osmanlı filosunun hızlı "Georgios Averof" gemisini Çanakkale'den uzağa çekme planı sonucunda gerçekleşti. Bu amaçla "Hamidiye" kruvazörü Yunan ablukasından kaçarak Ege Denizi'ne açıldı. Osmanlı kruvazörünün yarattığı tehdide rağmen Yunan filosunun komutanı "Georgios Averoff"u ana filodan ayırarak "Hamidiye"nin peşinden göndermedi. Osmanlı filosu, planlarının işe yaradığını düşünerek 18 Ocak sabahı Çanakkale'den ayrıldı. "Barbaros Hayreddin", "Turgut Reis" ve diğer gemilerden oluşan filo, Limni adasına doğru yola çıktı. Yunan zırhlı kruvazörü "Georgios Averof", Osmanlı filosunu Limni adasının 12 mil açığında karşıladı. Planlarının işe yaramadığını gören Osmanlı filosu geri çekilmeye başladı. Çekilme sırasında, saat 11.25 itibarıyla Osmanlı gemileri ile "Georgios Averof" arasında uzun menzilli bir topçu düellosu başladı. Çatışmanın sonlarına doğru hızlı "Georgios Averof" Osmanlı gemilerine 4.600 metreye kadar yaklaşarak birçok isabet kaydetti. Muharebe sırasında hem "Barbaros Hayreddin", hem de kardeş gemisi "Turgut Reis"in birer barbeti devre dışı kaldı ve yandı. "Barbaros Hayreddin" ve "Turgut Reis", çoğu 28 cm'lik ana bataryalarından olmak üzere 800'den fazla mermi attılar; ancak bu atışlar etkili olmadı. Mondros Deniz Muharebesi, Osmanlı donanmasının Birinci Balkan Savaşı boyunca Ege Denizi'ne açılmaya çalıştığı son muharebe oldu.