Đánh chìm Prince of Wales và Repulse
Chiến sự nổ ra > Cuộc không kích của Nhật

Lúc 00 giờ 50 phút bước qua ngày hôm sau, 10 tháng 12, Phillips nhận được một báo cáo của Palliser tin tức về một cuộc đổ bộ của Nhật lên Kuantan trên bờ biển phía Đông Malaya, khoảng nữa đường giữa Singapore và Kota Bharu. Lực lượng Z quay mũi về hướng đó mà không thông báo cho Palliser ý định của họ, vốn sẽ làm bộc lộ vị trí của lực lượng. Palliser đã không đoán trước được điều này và đã không yêu cầu hỗ trợ trên không của những chiếc F2A tại Semabang. Mãi cho đến khi một bức điện vô tuyến được gửi từ Repulse một giờ sau khi đợt tấn công đầu tiên của Nhật xảy ra, máy bay của Không quân Hoàng gia mới được huy động. Lúc 5 giờ 15 phút, một số vật thể xuất hiện trên đường chân trời; Lực lượng Z hướng về phía chúng vì cho đó chính là các tàu đổ bộ, nhưng hóa ra chỉ là một tàu đánh cá kéo theo các sà lan. Đến 6 giờ 30 phút, Repulse báo cáo trông thấy một máy bay theo dõi các con tàu. Lúc 07 giờ 18 phút, Prince Of Wales cho phóng lên một thủy phi cơ trinh sát Supermarine Walrus; nó bay đến Kuantan, không phát hiện được gì, gửi báo cáo cho Prince of Wales trước khi bay về Singapore. Express cũng được gửi đến trinh sát tại chỗ và cũng không tìm thấy bất kỳ tàu bè đối phương nào. Lúc 10 giờ 05 phút, Tenedos báo cáo bị máy bay Nhật tấn công ở vị trí cách Lực lượng Z 225 km (140 dặm) về phía Đông Nam. Cuộc tấn công này được thực hiện bởi chín máy bay ném bom hai động cơ tầm trung Mitsubishi G3M Nell thuộc Liên đội Genzan của Không đoàn Hải quân 22 đặt căn cứ tại Sài Gòn, mỗi chiếc mang theo một bom xuyên thép 500 kg (1.100 lb). Chúng nhầm lẫn chiếc tàu khu trục là một thiết giáp hạm và đã lãng phí số bom đạn mang theo khi không có quả bom nào ném trúng đích. Lúc 10 giờ 15 phút, có thêm nhiều máy bay Nhật nhìn thấy các con tàu, sau khi Lực lượng Z không tìm thấy bất kỳ lực lượng đổ bộ nào và đang hướng thẳng về phía Nam.
Lúc 11 giờ 13 phút, hạm đội bị ba đợt máy bay Nhật Bản tấn công. Đợt thứ nhất bao gồm 17 máy bay ném bom G3M Nell thuộc Liên đội Mihoro trang bị bom 500 kg (1.100 lb) cùng tám chiếc Nell khác mang hai quả bom 250 kg (550 lb). Ngoài tám quả bom 250 kg (550 lb) ném suýt trúng, chúng chỉ ghi được một quả ném trúng duy nhất vào khu vực sàn chứa máy bay của Repulse, gây một đám cháy nhỏ. Chiếc tàu chiến-tuần dương có thể tiếp tục vận tốc 46 km/h (25 knot, 29 dặm mỗi giờ) sau vài phút.
Vào khoảng 11 giờ 40 phút, những chiếc đầu tiên trong số 16 máy bay ném ngư lôi G3M Nell thuộc hai phi đội của Liên đội Genzan đến nơi và bắt đầu tấn công, phóng ra bốn ngư lôi nhắm vào Prince of Wales. Đợt tấn công thứ nhất này thành công khi đánh trúng một quả ngư lôi duy nhất nhưng gây hư hại nghiêm trọng cho trục chân vịt mạn trái ngoài cùng, lúc đó đang xoay hết tốc độ, trục bị xoắn và làm thủng nhiều ngăn cũng như làm vỡ các nắp đệm ngăn nước biển lọt vào con tàu qua các đường hầm trục chân vịt. Nó nhanh chóng bị ngập khoảng 2.400 tấn nước và tốc độ bị giảm còn 30 km/h (16 knot, 18 dặm mỗi giờ). Theo lời kể lại của Trung úy Wildish, chỉ huy phòng động cơ 'B', trục chân vịt đã được ngừng lại thành công, nhưng vào lúc tái khởi động, nước đã tràn vào theo đường dẫn trục chân vịt làm ngập nước phòng động cơ, rồi sau đó nhanh chóng lan rộng đến các phòng nồi hơi, phòng máy phát điện và các phòng phụ thuộc lân cận.
Quả ngư lôi duy nhất này tạo ra đến ba hiệu quả hư hỏng nghiêm trọng. Thứ nhất, nó khiến con tàu nghiêng 11,5 độ sang mạn trái, khiến các tháp pháo phòng không 133 mm (5,25 inch) bên mạn phải không thể hạ đủ thấp để đối đầu với những máy bay đang tấn công. Hơn nữa, điện năng cung cấp cho những tháp pháo đa dụng 133 mm (5,25 inch) ở phần đuôi của Prince of Wales bị cắt, khiến chúng không thể phản pháo các cuộc tấn công. Việc mất điện cung cấp cho các bơm còn khiến nó không có khả năng bơm nước ra nhanh hơn lượng nước tràn vào qua các lỗ thủng. Hai là, nó bị mất nguồn cung cấp điện bổ sung, vốn rất cần thiết cho việc liên lạc nội bộ, thông gió, bẻ lái và bơm nước, cũng như vận chuyển và nâng đạn pháo cho các khẩu đội 133 mm (5,25 inch) và 2 pounder. Tất cả các tháp pháo 133 mm (5,25 inch) ngoại trừ S1 và S2 hầu như không thể điều khiển được, một yếu tố càng khó khăn hơn do độ nghiêng của con tàu, ngăn trở các pháo thủ vận hành pháo bằng tay. Thủy thủ đoàn cũng gặp khó khăn trong việc đưa các khẩu đội 2-pounder vào vận hành bằng tay. Ba là, việc ngập nước bên trong lan rộng cùng với việc trục động cơ hư hại khiến con tàu chỉ còn động lực của các động cơ bên mạn phải và chỉ đạt được tốc độ tốt nhất 27,8 km/h (15 knot), và với việc bánh lái điện không đáp ứng con tàu hầu như không còn iều khiển được. Đến 12 giờ 41 phút, Prince of Wales vẫn còn có thể nổ súng chống trả các đợt ném bom tầm cao bằng các tháp súng S1 và S2, các quả bom đã không thể xuyên thủng lớp sàn tàu bọc thép của nó. Một quả bom rơi trúng hầm chứa máy bay nơi tập trung những người bị thương gây thiệt hại nhân mạng rất lớn. Tàu khu trục HMS Express cặp vào bên cạnh để giúp di tản những người bị thương và những thành viên không chiến đấu. Mệnh lệnh bỏ tàu được đưa ra và chiếc Prince of Wales lật sang mạn trái và chìm lúc 13 giờ 18 phút; nó gây trầy sướt cho Express lúc đó đang cặp gần bên để vớt những người sống sót, và đã suýt kéo theo chiếc tàu khu trục cùng với nó.
Một đợt tấn công tầm cao khác bởi máy bay ném bom nhắm vào Repulse lại trôi qua mà không gây thêm hư hại nào. Tiếp theo lại là một đợt tấn công thứ hai bởi tám máy bay ném ngư lôi thuộc Liên đội Mihoro nhắm vào chiếc Repulse từ hai hướng, nhưng chiếc tàu chiến kỳ cựu đã "xuất sắc" và khéo léo né tránh để tiếp tục đi tới. Đợt tấn công thứ ba cũng là đợt cuối cùng được tiến hành bởi 26 máy bay ném bom-ngư lôi Mitsubishi G4M 'Betty' thuộc Liên đội Kanoya được tăng cường từ Không đoàn Hải quân 21, vốn cũng đặt căn cứ gần Sài Gòn, được tung ra từ nhiều hướng. Repulse, đến lúc đó đã né tránh tổng cộng 19 quả ngư lôi, bị kẹp giữa hai gọng kìm tấn công bằng ngư lôi của Nhật và bị trúng ít nhất hai quả (và có thể là bốn) ngư lôi, một quả làm kẹt bánh lái của nó. Tuy nhiên, không như con tàu chị em với nó Renown, Repulse không được cải tiến bổ sung thêm bầu chống ngư lôi, cũng như không có được các ngăn kín nước độc lập như trên các thiết giáp hạm hiện đại. Nó bị đánh trúng nặng nề và bất ngờ, và Thuyền trưởng Tennant phải ra lệnh cho thủy thủ tập trung lên boong tàu; Repulse bị nghiêng nặng sang mạn trái chỉ trong vòng sáu phút để cuối cùng lật úp và chìm lúc 12 giờ 23 phút với tổn thất nhân mạng nặng nề.
Người Nhật đã đánh trúng sáu, thậm chí có thể là tám trong tổng số 49 ngư lôi được phóng ra, trong khi bản thân họ bị tổn thất ba máy bay: một chiếc máy bay ném bom ngư lôi Nell của Liên đội Genzan và hai máy bay ném bom ngư lôi Betty thuộc Liên đội Kanoya; ngoài ra còn có một chiếc thứ tư bị hư hại nặng đến mức nó bị rơi khi hạ cánh. Một cuộc điều tra sau này, "Job 74", trên hai xác tàu đắm do nhóm Explorer's Club thực hiện và hoàn tất vào ngày 11 tháng 6 năm 2007 đã xác nhận có bốn cú đánh trúng vào Prince of Wales, và hai cú đánh trúng được xác định cùng hai cú có thể có vào chiếc Repulse.
Lực lượng hỗ trợ trên không dành cho Lực lượng Z, mười chiếc Buffalo thuộc Phi đội 453 Không quân Hoàng gia Australia, bay đến bên trên chiến trường lúc 13 giờ 18 phút, đúng lúc chiếc Prince of Wales chìm. Họ bắt gặp một máy bay tuần tiễu do Thiếu úy Hoashi Masame điều khiển, vốn ở lại tại hiện trường để xác nhận sự đánh đắm, nhưng đã tìm cách thoát đi được khi bị phi đội Australia săn đuổi. Nếu như nó bị bắn rơi, người Nhật hẳn đã suy luận rằng hai chiếc tàu chiến còn sống sót sau các đợt không kích, buộc họ phải thực hiện thêm một đợt tấn công mới.