これに対する日本軍も、連合国軍が中部太平洋方面で反攻作戦に出てくることを想定していた。日本の連合艦隊司令部は、千島列島から南鳥島（マーカス）、ウェーク島、ギルバート諸島など太平洋正面で連合国軍が反攻作戦に出てきた場合に備え、基地航空部隊と機動部隊、潜水艦などの全力を挙げて迎撃する計画を立て、「Z作戦」と命名していた。ギルバート諸島方面の基地航空部隊としては、タラワ飛行場のほかクェゼリン環礁など周辺島嶼に、第22航空戦隊が配置された。1943年（昭和18年）9月18日-20日にギルバート諸島とナウルの各基地がアメリカ海軍機動部隊（「レキシントンⅡ」「プリンストン」「ベロー・ウッド」）の空襲を受けて、航空機13機以上が地上撃破されるなどの損害を受けたものの、同年11月1日の時点で戦闘機30機・陸上攻撃機（陸攻）40機・艦上爆撃機18機・水上機20機の計108機の兵力を擁していた。上記の1943年9月18-20日にギルバート諸島などが空襲された際、第三艦隊（空母「翔鶴」「瑞鶴」「瑞鳳」等）基幹の日本艦隊はこのアメリカ海軍機動部隊の攻撃に向かったが会敵できず、9月25日にトラック泊地に帰投した。1943年10月中旬にも、大本営は、アメリカ軍の攻略部隊が襲来するおそれが強いとして、連合艦隊に迎撃を指示した。連合艦隊は10月17日に第三艦隊（空母「翔鶴」「瑞鶴」「瑞鳳」等）や戦艦「大和」「長門」からなる艦隊をマーシャル諸島方面へ出撃させたが、アメリカ艦隊は出現せずにまたも完全な空振りに終わり、26日にトラック泊地へ帰投した。これら二回の艦隊出動の結果、日本側の前進基地であるトラック泊地の重油備蓄は底をつき、大規模な艦隊活動は不可能な状態に陥ってしまった。おまけに巡洋艦部隊はラバウル空襲で大打撃を受け、空母の搭載機も「ろ号作戦」に使用したために消耗してしまった。日本側は、本来の「Z作戦」とは異なって機動部隊抜きで迎撃せざるを得ない態勢で、ギルバート諸島へのアメリカ軍襲来を迎えることになった。
10月末から11月にかけては、北アフリカ戦線の第二次エル・アラメイン会戦と重なったこともあって南太平洋方面に兵力が回らず、ルーズベルトのイニシアチブがなかったら、ガダルカナル島は日本軍の手に帰していた可能性もあった。新たな日本軍の攻勢が察知され、ハルゼーはキャラハンとスコットに輸送船団をガダルカナル島へ送り、任務が終われば日本艦隊との交戦を避けるため即座に撤退するよう命じた。11月11日、まずスコットに率いられた輸送船団がガダルカナル島に到着して揚陸を開始し、到着を嗅ぎ付けた日本軍機の空襲を受けたが撃退した。翌11月12日朝には、キャラハンが指揮する輸送船団がガダルカナル島に到着し、同じように揚陸を開始したが、相前後して偵察機が「スロット」ニュージョージア海峡を南下する阿部弘毅少将率いる日本艦隊を発見したため揚陸作業は急速に進められたものの、前日に続いて日本軍機が空襲を行い、そのうちの撃墜された1機がサンフランシスコに体当たりを行って射撃指揮装置と射撃用レーダーを破壊して能力を低下させた。夕方までに輸送船団は揚陸を9割方終えて洋上に退避し、あとにはキャラハン、スコットの第67.4任務群が日本艦隊迎撃のため残っていた。キャラハンはハルゼーが戦艦を後詰に繰り出してくることを知っていたため、迎撃には乗り気ではなかったが、ガダルカナル島の味方部隊を守りきる使命感がそれを上回っていた。11月12日夜、キャラハンの第67.4任務群はスコットがサボ島沖海戦で使用した隊形を借用し、前衛と後衛に駆逐艦を配して北北西の針路を進んでいた。やがて軽巡洋艦ヘレナ (USS Helena, CL-50) が阿部艦隊を探知したものの、旧式レーダーしかないサンフランシスコでは何もわからないまま時が過ぎていった。前衛の駆逐艦が日本側の駆逐艦夕立と春雨に至近距離で出くわして大混乱したことすら、すぐにはわからなかった。間もなく、前衛の混乱を避けて左に針路をとった軽巡洋艦アトランタが阿部艦隊の戦艦、比叡および霧島の懐に飛び込む形となり、比叡はサーチライトでアトランタを照射ののち主砲の二斉射を行って艦橋を破壊し、アトランタにいるスコットや幕僚は一人を残して全員戦死した。キャラハンの指揮は、全く良いものではなかった。サンフランシスコは炎上中の艦船に向けて19発の命中弾を与えたが、その艦船はアトランタであり、驚いたキャラハンは射撃中止を命じたものの、何がどう間違ったのか指揮下の全艦艇に一瞬とはいえ発令してしまい米艦隊を著しく混乱させた。やがてサンフランシスコは比叡と砲撃戦を演じたが、比叡の背後にいた霧島が三斉射を行って、そのうちの一発が艦橋に命中、キャラハンやサンフランシスコ艦長カッシン・ヤング大佐（アナポリス1916年組）ら任務群幕僚およびサンフランシスコ幹部はことごとく戦死した。キャラハンはアイザック・C・キッド（アナポリス1906年組）、スコットに続く、第二次世界大戦で直接戦闘により戦死した3人目の提督となった。自らの失策にて余計な損失を多く出したものの、曲がりなりにも使命を尽くしたことは評価され、死後名誉勲章が追贈された。サンフランシスコでは死傷者が続出し、生存者で最上位の将校であった通信担当のブルース・マッカンドレス少佐（アナポリス1932年組）が艦の指揮をキャラハンの名前において発した。マッカンドレスの行為自体は、通常なら重大な違法行為として軍法会議で追及されるところであったが、マッカンドレスが作戦に直接タッチしていたこととキャラハンの戦死を日本側から秘匿する必要性があったことから特例で不問となり、マッカンドレスにも名誉勲章が授けられた。第三次ソロモン海戦ではキャラハン、スコット両将が戦死して幕僚も多くが戦死したが、海戦はアメリカ側の戦略的勝利に帰した最もキャラハンが的確な指示を出せたなら戦術的、戦略的に完勝は確実であった海戦のあとの11月19日、ハルゼーは海軍大将となった。ハルゼーは両襟に大将の四つ星章を取り付けたが、三つ星章を外して外した中将の三つ星章を「わたしに新しい階級章を下さったのは、お二人の御主人たちの勇敢な行為だったのだ」との言葉を添えてメアリー・トーミー・キャラハンとスコット夫人に1個ずつ贈るよう手配させた。