Sau cuộc đụng độ, Lütjens báo cáo: "Tàu chiến-tuần dương, có thể là Hood, bị đánh chìm. Một thiết giáp hạm khác, King George V hoặc Renown, bị hư hại và rút lui. Hai tàu tuần dương hạng nặng tiếp tục theo dõi." Đến 08 giờ 01 phút, ông gửi một báo cáo thiệt hại và những dự định của mình về OKM, vốn sẽ cho tách Prinz Eugen ra để tiếp tục đánh phá các tàu vận tải trong khi bản thân Bismarck sẽ quay về St Nazaire để sửa chữa. Không lâu sau 10 giờ 00, Leach ra lệnh cho Prinz Eugen lui ra phía sau Bismarck đánh giá sự rò rỉ dầu do cú đánh trúng mũi. Sau khi xác nhận "những dòng dầu lớn rỉ ra ở cả hai bên sóng của Bismarck", Prinz Eugen quay trở lại vị trí dẫn đầu. Khoảng một giờ sau đó, một thủy phi cơ Short Sunderland báo cáo về vệt dầu cho Suffolk và Norfolk, vốn còn có sự tham gia của Prince of Wales. Chuẩn đô đốc Frederic Wake-Walker, vị tư lệnh của hai chiếc tàu tuần dương, ra lệnh cho Prince of Wales theo phía sau hai con tàu của mình.Hải quân Hoàng gia Anh huy động mọi tàu chiến trong khu vực vào việc săn đuổi Bismarck và Prinz Eugen. Hạm đội Nhà của Tovey lên đường để đánh chặn các tàu cướp tàu buôn Đức, nhưng đến sáng ngày 24 tháng 5 vẫn còn cách đến 350 nmi (650 km; 400 mi). Bộ Hải quân Anh ra lệnh cho các tàu tuần dương hạng nhẹ Manchester, Birmingham và Arethusa tuần tra tại eo biển Đan Mạch đề phòng trường hợp Lütjens quay ngược lại con đường cũ. Thiết giáp hạm Rodney, vốn đang hộ tống cho chiếc RMS Britannic và chuẩn bị cho một đợt tái trang bị tại xưởng hải quân Boston, được lệnh tham gia cùng Tovey. Hai thiết giáp hạm cũ lớp Revenge cũng được lệnh tham gia cuộc truy lùng: Revenge xuất phát từ Halifax, và Ramillies vốn đang hộ tống đoàn tàu vận tải HX 127. Tổng cộng có sáu thiết giáp hạm và tàu chiến-tuần dương, hai tàu sân bay, 13 tàu tuần dương và 21 tàu khu trục được tung vào cuộc săn đuổi. Vào khoảng 17 giờ 00, thủy thủ trên chiếc Prince of Wales phục hồi hoạt động được chín trong số mười khẩu pháo của nó, cho phép Wake-Walker bố trí nó lên đầu đội hình để tấn công Bismarck nếu có cơ hội.Trong tình trạng thời tiết xấu đi, Lütjens dự tính cho Prinz Eugen tách ra lúc 16 giờ 40 phút. Cơn mưa rào đã không đủ lớn để che khuất việc rút lui của nó khỏi các tàu tuần dương của Wake-Walker, vốn đang tiếp tục nhận biết qua radar; vì vậy Prinz Eugen được tạm thời gọi quay trở lại. Chiếc tàu tuần dương Đức thành công trong việc tách ra lúc 18 giờ 14 phút, khi Bismarck quay mũi đối đầu trực diện với đội hình của Wake-Walker, buộc Suffolk phải lẩn tránh ở tốc độ cao. Prince of Wales đã nã 12 loạt đạn pháo nhắm vào Bismarck, và bị bắn trả 9 loạt đạn pháo, không có quả nào của cả hai bên trúng đích. Hoạt động này đã làm phân tán sự chú ý của phía Anh, cho phép Prinz Eugen lẫn đi. Sau khi Bismarck quay trở lại hướng đi cũ, các con tàu của Wake-Walker tiếp tục dõi theo phía sau bên mạn trái.Cho dù Bismarck đã bị hư hại trong trận đụng độ trước đó và bị buộc phải giảm tốc độ, nó vẫn còn khả năng đạt đến 27–28 kn (50–52 km/h), ngang với tốc độ tối đa của thiết giáp hạm King George V mới nhất của Tovey. Trừ khi Bismarck phải đi chậm lại, phía Anh không thể nào ngăn cản nó đến được St Nazaire. Ngay trước 16 giờ 00 ngày 24 tháng 5, Tovey cho tách ra tàu sân bay Victorious cùng bốn tàu tuần dương hạng nhẹ thực hiện một hành trình vốn sẽ đưa chúng đến điểm có thể phóng lên các máy bay ném bom-ngư lôi. Lúc 22 giờ 00, Victorious tung ra cuộc không kích, bao gồm sáu máy bay tiêm kích Fairey Fulmar và chín máy bay máy bay ném ngư lôi Fairey Swordfish. Các phi công không có kinh nghiệm suýt nữa đã tấn công nhầm vào chiếc Norfolk, và sự lẫn lộn đã báo động cho các xạ thủ phòng không của Bismarck. Bismarck thậm chí còn sử dụng pháo chính và pháo hạng hai của nó ở góc hạ thấp tối đa để tạo nên những cột nước khổng lồ ngăn chặn con đường tiếp cận của những máy bay ném ngư lôi. Dù sao không có chiếc máy bay tấn công nào bị bắn rơi. Bismarck né tránh được tám trong số chín quả ngư lôi phóng ra nhắm vào nó; quả thứ chín trúng giữa tàu trên đai giáp chính chỉ gây ra những hư hại nhẹ, nhưng chấn động của vụ nổ đã ném một người va vào tường khiến anh thiệt mạng, cùng năm người khác bị thương.Chấn động của vụ nổ do trúng ngư lôi gây hư hại nhẹ cho thiết bị điện, nhưng việc cơ động nhanh và thất thường để tránh các quả ngư lôi đã gây những hư hỏng nghiêm trọng hơn. Việc thay đổi đột ngột tốc độ và hướng đi đã làm bung ra các tấm đệm bịt lỗ hư hỏng, làm gia tăng sự ngập nước từ lỗ hổng do đạn pháo phía trước mũi, nên cuối cùng buộc phải bỏ phòng nồi hơi số 2 bên mạn trái. Việc mất hai nồi hơi của trục động cơ bên mạn trái, cộng với việc tổn thất nhiên liệu và những hư hỏng trước mũi tàu đã buộc phải giảm tốc độ xuống còn 16 kn (30 km/h; 18 mph). Sau khi các thợ lặn sửa chữa những tấm đệm trước mũi tàu, tốc độ tăng lên được 20 kn (37 km/h; 23 mph). Ban tham mưu con tàu đã xác định đây là tốc độ tiết kiệm nhất cho hành trình đi đến vùng Pháp chiếm đóng.Không lâu sau khi những chiếc Swordfish rời khỏi hiện trường, Bismarck và Prince of Wales trao đổi một cuộc đấu pháo tay đôi ngắn; cả hai đều thất bại không ghi được phát bắn trúng nào. Các đội kiểm soát hư hỏng tiếp nối công việc sau trận giao chiến ngắn. Nước biển ngập vào phòng nồi hơi số 2 bên mạn trái đe dọa sẽ tràn vào hệ thống nạp nước cho máy phát turbine số 4, vốn sẽ khiến nước biển xâm nhập đến tận các turbine. Nước biển sẽ phá hủy các cánh turbine và làm tốc độ của con tàu giảm đi đáng kể. Tuy nhiên đến sáng ngày 25 tháng 5, mối nguy hiểm đã qua đi. Con tàu đi chậm lại còn nhằm cho phép thợ lặn bơm nhiên liệu từ các ngăn phía trước đến các thùng chứa phía sau; hai ống đã được nối thành công, và vài trăm tấn nhiên liệu đã được chuyển đi.Khi cuộc truy đuổi diễn ra ngoài biển khơi, các con tàu của Wake-Walker buộc phải chạy zig-zag để tránh tàu ngầm U-boat của Đức có thể đang ở trong khu vực. Điều này buộc các con tàu phải đi 10 phút qua mạn trái rồi 10 phút qua mạn phải để giữ hướng đi chung ban đầu. Trong những phút sau cùng khi đi sang mạn trái, Bismarck ở ngoài tầm radar của Suffolk. Lúc 03 giờ 00 sáng ngày 25 tháng 5, Lütjens ra lệnh cho con tàu tăng lên tốc độ tối đa, vốn đạt đến 28 kn (52 km/h; 32 mph), rồi bẻ lái sang hướng Tây rồi hướng Bắc. Sự cơ động này trùng khớp với thời điểm con tàu của ông đang ở ngoài tầm radar đối phương; Bismarck tách khỏi sự theo dõi của đối thủ và quay lại phía sau những kẻ săn đuổi. Chỉ huy của Suffolk đoán rằng Bismarck đã thoát đi về phía Tây nên cũng tìm cách truy tìm bằng cách đi về hướng đó. Sau nữa giờ, ông báo cáo lên Wake-Walker, vốn sau đó ra lệnh phân tán ba con tàu dưới quyền lúc bình minh để truy tìm bằng mắt.Cuộc truy tìm của Hải quân Hoàng gia trở nên hỗn độn, khi nhiều tàu chiến Anh bắt đầu thiếu nhiên liệu. Victorious và các chiếc tháp tùng được gửi sang phía Tây, các con tàu của Wake-Walker về hướng Tây và Nam, trong khi Tovey tiếp tục hướng đến khu vực giữa Đại Tây Dương. Lực lượng H, được xây dựng chung quanh tàu sân bay Ark Royal, đang từ Gibraltar di chuyển lên hướng Bắc, còn cách ít nhất một ngày nữa. Không nhận thức rằng mình đã tống khứ  được Wake-Walker, Lütjens gửi một bức điện dài cho Bộ Tư lệnh hải quân Tây đặt căn cứ tại Paris. Những tín hiệu này bị phía Anh chặn được, giúp xác định ra tọa độ của Bismarck. Tuy nhiên, chúng lại được vạch trên bản đồ một cách sai lầm, vốn đã kìm chân lực lượng của Tovey trên hướng đi sai trong suốt bảy giờ. Vào lúc sai sót bị khám phá, Bismarck đã đi khỏi.