11月14日21:00、第64任務部隊はガダルカナル島とルッセル諸島の間を北進し、サボ島を右舷12kmに見て北東に進んでいた。艦隊は駆逐艦ウォーク、ベンハム、プレストン、グウィン、戦艦ワシントン、サウスダコタの順番で東に針路をかえた。月光の美しい静かな夜だったという。21:48、第64任務部隊はサボ島9km北で南東に変針し、ちょうどサボ島を中心に時計回りとなって鉄底海峡に入った。この頃、リー少将はツラギ島の魚雷艇部隊から日本艦隊発見の報告を受けた。22:52、艦隊は西に変針し、サボ島とエスペランス岬の間を通過する航路をとった。午後8時（日本時間はアメリカ軍時間にくらべて約2時間遅い）、日本軍は艦隊を、戦艦霧島、重巡2隻（愛宕、高雄）、軽巡長良、駆逐艦6隻（五月雨、朝雲、電、白雪、初雪、照月）の第一部隊（本隊）と、橋本新太郎少将指揮する軽巡川内、第十九駆逐隊（敷波、綾波、浦波）の第二部隊（掃討部隊）にわけていた。ガダルカナル島海域に突入するにあたって、近藤は日本艦隊をさらに4つに分けた。本隊（霧島、愛宕、高雄、朝雲、照月）はショートランド諸島の西岸沖合（日本艦隊からは左舷に島々が見える）を南西に進み、サボ島西9kmを通過して、鉄底海峡に侵入する。木村進少将の軽巡長良、駆逐艦4隻（電、白雪、初雪、五月雨）は、サボ島西岸から3km離れた海域を通過し、鉄底海峡に向かった。橋本の第二部隊は、軽巡川内と駆逐艦浦波、敷波がサボ島の東5kmを南下し、駆逐艦綾波がサボ島の西側を南進していた。偵察機の報告から、日本軍はガダルカナル周辺の米艦隊勢力を「巡洋艦数隻、駆逐艦数隻」と判断し、アメリカ軍の新鋭戦艦が遊弋していることに気付いていなかった。午後8時5分、浦波がアメリカ軍艦艇を発見し、敷波が午後8時14分、午後8時18-30分には近藤長官も南13kmにアメリカ軍艦隊を発見したが、午後8時57分に発生した急なスコールによりアメリカ軍艦隊を見失った。この時アメリカ軍の第64任務部隊はサボ島の南東方向に向けて移動しており、レーダーがあったにも関わらず、日本艦隊の接近に気付いていなかった。一方、近藤艦隊主隊は分離した川内隊をアメリカ軍艦隊と見間違え、予定針路を取り消して反転、誤射寸前に味方と気付いて射撃命令を取り消している。また日本軍駆逐艦部隊は、アメリカ軍戦力を「新型巡洋艦2隻、駆逐艦4隻」と判断した。このように、両軍とも小さなミスを重ねていった。23:00、アメリカ軍は針路を南東から真西に変え、サボ島とガダルカナル島エスペランス岬の間の海峡に向けて移動を開始した直後、右舷16kmに四本煙突の巡洋艦（川内）をレーダーで探知し、23:17（日本時間午後9時19分）にワシントンが川内に40cm砲9門一斉射撃を三斉射、サウスダコタが敷波、浦波に斉射を浴びせ、「巡洋艦が転覆した」のを確認した。実際には川内と駆逐艦に命中した40cm砲は1発もなかった。両艦は煙幕を展開すると撤退するように見せかけ、第64任務部隊と並走して魚雷発射のチャンスを狙った。近藤艦隊本隊では午後9時30分頃から砲声を確認し、乗組員に戦闘配置を命じた。すると午後9時30分ごろ、駆逐艦綾波、軽巡長良、駆逐艦五月雨、電がサボ島西岸をまわって出現し、米艦隊に向け右砲戦・雷撃を開始、五月雨は魚雷8本を発射した。米戦艦2隻は日本軍小型艦艇の砲撃をサボ島に設置された日本軍砲台の攻撃と誤認し、サボ島に副砲を撃ち込んだ。一方、トーマス・フレイザー司令官が指揮する米駆逐艦部隊4隻（ウォーク、ベンハム、プレストン、グウィン）は日本軍水雷戦隊と交戦。ウォークは左舷に魚雷が命中、沈みはじめた艦から落下した爆雷が爆発して乗組員を殺傷し、23:42分に沈没した。プレストンは砲撃を受けて放棄された。ベンハムも右舷艦首を魚雷命中でもぎ取られ戦闘不能となり、のち15日夕刻に自沈した。日本軍は綾波が米駆逐艦の砲撃と戦艦ワシントンの副砲射撃により炎上して沈没した。夜戦の第一段階で、アメリカ軍の第64任務部隊は戦艦2隻を護衛する駆逐艦隊を失った。23:33、“艦隊の疫病神”という異名をもつ戦艦サウスダコタに思いもよらぬ事態が発生した。駆逐艦綾波が発射した12.7cm砲弾が艦橋に命中し、人的ミスも重なって電源が落ち、レーダー、射撃管制装置、砲塔発動機、無線が使用不能となったのである。サウスダコタは目隠しをされたまま戦艦ワシントンの後方を進んだ。ワシントンは前方に米駆逐艦の残骸と脱出者が多数浮遊しているを発見し、救命具を放出すると同時に取舵をとった。サウスダコタはワシントンの運動に気付かず、2隻は分離して行動。このためワシントンは意図せずに、日本艦隊との間にサウスダコタと炎上する米駆逐艦の残骸を置くことになった。その直後、橋本と木村が指揮する日本軍水雷戦隊はサウスダコタを探照灯でとらえたが、サウスダコタと霧島の区別がつかず、砲雷撃を中止した。電源が一部復旧した「サウスダコタ」は日本艦隊に向けて主砲と副砲で応戦を再開したが、搭載航空機が火災を起こして絶好の目標となった。サウスダコタが苦境に立たされる一方で、無傷のワシントンは戦艦霧島をレーダーで発見し、40cm砲を右舷に向けた。しかしサウスダコタと霧島の区別がつかず、リー司令官は射撃中止を命令した。23:55（日本時間午後9時50分 - 午後10時）、近藤艦隊本隊は探照灯を照射して、約,1000m先を進む「敵は高き前檣楼（しょうろう）を有し上甲板高く偉大なる新式戦艦」=サウスダコタを発見する。ワシントンはサウスダコタの南方を進んでいたため、日本艦隊に照射されなかった。日本艦隊は高雄-1500m-愛宕-2000m-霧島という単縦陣形で米艦隊とすれ違いながら、右砲戦を開始した。日米双方の主砲・高角砲弾、機銃弾が飛交う中、愛宕は8本、高雄は本数不明、朝雲は4本の魚雷を発射したが、命中しなかった（日本軍は命中と誤認）。それでも砲撃だけでサウスダコタはレーダー機能と通信設備を失い、第三砲塔には霧島の36cm砲弾が命中して作動不能となった。近藤艦隊本隊は午後10時6分に反転し、並走しながらワシントンとサウスダコタを追いかけるような陣形となった。この間、霧島の水上偵察機（村島中尉機）は対空砲火で被弾不時着し、搭乗員はアメリカ軍の捕虜となっている。僚艦サウスダコタが戦闘不能となる中、ワシントンは霧島の探照灯照射により、レーダー上の大型目標が日本戦艦であると確信した。ただちに射撃命令が出され、距離8,200メートルから40cm砲9門を一斉斉射、霧島に至近弾を与えた。つづいて副砲が照明弾を発射し、日本艦隊は闇夜に浮かびあがった。ワシントンは主砲斉射を続け、第2斉射、第3斉射とも霧島に命中し爆発が発生した。ワシントンはそれを確認すると副砲で愛宕と高雄を砲撃し、愛宕に大損害を与えたと信じた。その愛宕では艦首醤油庫に副砲弾1発が命中したが、愛宕の戦闘力には何の影響もなかった。レーダー索敵で戦闘を有利にすすめていたワシントンもミスを犯した。霧島を撃沈したと信じたため、射撃を停止したのである。すると、一息ついた霧島は36cm主砲6門で反撃する。しかし、この砲撃もワシントンに命中することは無く、太平洋戦争初の戦艦対戦艦の勝敗は決した。また日本艦隊は午後10時14分にワシントンに向け酸素魚雷を発射したが、いずれも自爆（日本軍は2本命中と誤認）。ワシントンは32回の爆発音を確認し、米駆逐艦の残骸に命中したものと推測した。この砲雷撃の後、近藤艦隊本隊は北西に変針し、ワシントンとの距離をとろうとした。ふたたびワシントンは北西に進みながら霧島を砲撃した、ワシントンは40cm砲弾75発、副砲40発を発射し、40cm砲弾9発の命中を確認した。そして廃墟となった霧島の四番砲塔だけが発砲していたと観察している。霧島の乗組員の回想によれば、煙突周辺で火災発生後、後部副砲火災、舵故障、後部主砲火災発生、機関故障の順番で被害が累加し、前部主砲のみが健在だったという。霧島は右舷に傾き、円を描いて進む事しかできなくなった。この間、大破したサウスダコタはワシントンの後方を通過し、ガダルカナル島の西岸をまわって南西に脱出した。サウスダコタは42発の命中弾を受け、38名が死亡、42名が負傷した。なお、40cm主砲で重巡洋艦1隻を撃沈したと主張している。00:20、ワシントンは田中輸送船団を撃沈すべく、単艦で北西に進撃した。すると北西へ撤退する近藤艦隊本隊（愛宕、高雄）と並走する位置関係となり、日本時間午後10時22分、愛宕は左舷1万メートルにワシントンを発見した。この時、愛宕はワシントンを新たに出現した戦艦だと判断している。愛宕は煙幕を展開すると、魚雷3本を発射。約15分間砲撃をおこないながらワシントンと並走し、午後10時38分に見失った。この間、双方の砲弾は1発も命中しなかった。00:30、リー司令官も魚雷攻撃を受ける可能性を考慮し、また日本軍輸送部隊がガダルカナル島に上陸する可能性は低いと判断したため、追撃を打ち切って反転を命じた。この時、軽巡長良、駆逐艦電、初雪、五月雨がワシントンを追跡しており、ワシントンはレーダーが機能していたにも関わらず、小艦艇群を発見できなかった。午後23時40-45分、日本軍水雷戦隊は魚雷を発射（長良発射数不明、電90式魚雷5本、初雪3本、五月雨5本）。00:40、ワシントンは17本の魚雷が自爆する音を探知。日本艦隊は午後11時54分に命中爆音3を確認した。愛宕は別の爆発音を確認している。アメリカ軍の新鋭戦艦を撃沈したと判断した日本軍水雷戦隊は北方に離脱した。また、田中輸送船団を護衛していた駆逐艦親潮がサボ島西18浬でノースカロライナ型戦艦に対し雷撃を行ったことが記録されている。ワシントンの損害は、艦橋に命中した12.7cm砲弾1発のみだった。アメリカ軍の第64任務部隊が去った戦場では、40cm砲弾多数を被弾した霧島に最後の時がせまった。日付変更直前、霧島は右に5度傾斜し、舵は故障、中央機械室のみ健在で、微速航行のみ可能だった。火災のため前後部火薬庫に注水、さらにバランスをとろうと両舷に注水しているうちに、完全に航行不能となった。軽巡長良や駆逐艦による曳航を試みたが失敗、最後を悟った艦長は照月、朝雲に横付けするよう命じている。霧島の機関は一部が無事だったが、機関科兵の戦死と、艦尾に命中した魚雷貫通穴（40cm砲被弾孔）により浸水が進んだのである。駆逐艦の横付けと負傷者移乗がすんだ午前1時23-25分、朝雲、照月、五月雨の3駆逐艦が見守る中、霧島は戦死者212名と共に沈没した。駆逐艦隊は艦長以下1128名を救助した。