俾斯麥號戰艦
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在交战后，吕特晏斯报告道：“战列巡洋舰，可能是胡德号，沉没。另一艘战列舰，英王乔治五世号（英语：）或声望号，受损掉头离开。两艘重巡洋舰保持接触”。 08:01，他向海军总司令部发送了损坏报告及其意图，即分派欧根亲王号进行通商破坏，并前往圣纳泽尔进行维修。10:00后不久，吕特晏斯下令欧根亲王号移至俾斯麦号後方，以查明舰艏中弹后漏油的严重程度。在确认“（俾斯麦号的）尾迹两侧都有大片的油流”后，欧根亲王回到了领头位置。大约一小时后，尾随其后的桑德兰水上飞机向萨福克号和诺福克号报告了浮油情况，它们此时已与受损的威尔士亲王号会合。海军少将弗雷德里克·韦克-沃克（英语：）作为两艘巡洋舰的指挥官，下令威尔士亲王号保持殿后。
当卡尔·邓尼茨提出可调遣大西洋上的所有U艇实施援助时，吕特晏斯请求它们在俾斯麦号进入开阔大西洋的预设航路上建立一条巡逻线。五艘U艇——U-43号（英语：）、U-46号、U-66号（英语：）、U-94号和U-557号（英语：）奉命占据格陵兰岛以南的阵位，预计将于5月25日上午接敌。由于吕特晏斯打算驶往法国港口，由U-48号、U-74号、U-97号、U-98号和U-556号（英语：）组成的第二批U艇驻扎在比斯开湾。另外三艘U艇——U-73号、U-93号和U-111号（英语：）正在赶往增援设伏，而U-108号（英语：）和U-552号（英语：）则受命离港增援比斯开湾集群。
英国首相温斯顿·丘吉尔命令该地区的所有军舰都加入追击俾斯麦号和欧根亲王号的行列。托维的本土舰队已前往拦截德国袭击者，但到5月24日清晨，仍然相距超过350海里（650）。海军部又指示轻巡洋舰曼彻斯特号（英语：）、伯明翰号（英语：）以及阿瑞图萨号（英语：）在丹麦海峡巡逻，以防吕特晏斯试图折返。战列舰罗德尼号一直在为皇家邮轮不列颠尼克号（英语：）护航，原定在波士顿海军造船厂（英语：）进行改装，此时也加入了托维的队伍。受命进行追猎的还包括两艘老旧的复仇级战列舰：从哈利法克斯出发的复仇号（英语：），以及护送HX-127号船队的拉米伊号（英语：）。共计有六艘战列舰或战列巡洋舰、两艘航空母舰、十三艘巡洋舰以及二十一艘驱逐舰参与了追击。到17:00左右，威尔士亲王号的船员们将其十门主炮中的九门恢复了正常运转状态，这使得韦克-沃克可以将它安排在编队的最前方，以便在机会出现时攻击俾斯麦号。
随着天气逐渐恶化，吕特晏斯试图于16:40与欧根亲王号分离。风暴不足以掩护其摆脱韦克-沃克的巡洋舰，后者继续保持雷达接触。欧根亲王号因此被暂时召回，它直至18:14才成功脱离。当时俾斯麦号转舵直面韦克-沃克的编队，迫使萨福克号以高速回避。威尔士亲王随即向俾斯麦号发射了十二轮齐射，俾斯麦也以九轮齐射回击，但双方无一命中。该举动成功转移了英国人的注意力，欧根亲王号得以悄然离去。在俾斯麦号恢复原来的航向后，韦克-沃克号的三艘舰便在俾斯麦号的左舷就位。
尽管俾斯麦号在与胡德号的交战中受损，被迫减速，但它仍然能够达到27至28節（50至52每小時），这是托维的英王乔治五世号的最高航速。除非能进一步减缓俾斯麦号的速度，否则英国人将无法阻止它到达圣纳泽尔。5月25日16:00之前不久，托维将航空母舰胜利号和四艘轻巡洋舰分开，以形成一条可供弹射鱼雷轰炸机的航路。22:00，胜利号的攻击群起飞，它们由隶属第825海军航空中队（英语：）的九架剑鱼式鱼雷轰炸机组成，受海军少校尤金·埃斯蒙德（英语：）指挥。缺乏经验的飞行员在接近诺福克号和美国海岸警卫队巡逻艇（英语：）莫多克号（英语：）时差点袭击了它们；这种混乱引起了俾斯麦号的高射炮兵戒备。
俾斯麦号利用主炮和副炮以最大俯角施射，在鱼雷轰炸机来袭的航路上产生巨大冲力的水花飞溅。没有一架飞机被击落。俾斯麦号躲开了向它发射的七枚鱼雷，但第八枚鱼雷却击中了舰舯部的主装甲带，将1人抛入舱壁致死，另有5人负伤。爆炸还对电气设备造成了轻微损坏。更为严重的损害则在舰只躲避鱼雷的机动中发生：速度和航向的急促变化导致堵漏网垫松脱，使得舰艏弹孔涌入更多的海水，最终迫使左舷的2号锅炉舱被废弃。第二台锅炉的损失，加上燃油的泄漏和艏倾加剧，迫使该舰减速至16節（30每小時）。在潜水员修复了舰艏的堵漏网垫后，航速又提升至20節（37每小時），这是指挥团队确定的驶向德占法国的最节俭速度。
剑鱼机离开现场后不久，俾斯麦号和威尔士亲王号又进行了一场简短的炮战。双方都没有取得命中。俾斯麦号的损坏管制组在短暂交战后恢复工作。淹没左舷2号锅炉的海水有侵入4号涡轮发电机（英语：）给水系统的危险，从而使盐水到达涡轮机。盐水会侵蚀涡轮叶片，从而大大降低舰只速度。到5月25日上午，危机解除。俾斯麦号减速至12節（22每小時），以便潜水员将燃油从前舱泵送至后油箱；两根软管成功连接，并转移了数百吨燃油。
随着追击进入开阔水域，韦克-沃克的舰只被迫以锯齿形移动，以规避可能在该地区出没的德国U艇。这要求两艘巡洋舰向左舷航行十分钟，然后再向右舷航行十分钟，以保持两舰在同一基准航向。在转左航行的最后几分钟里，俾斯麦号超出了萨福克号的雷达范围。5月25日凌晨03:00，吕特晏斯决定放弃引诱追击者进入U艇陷阱的计划，直接向法国驶去。他下令将最高速度提升至28節（52每小時），然后指示舰只以环形向西再向北移动。这次机动恰逢其舰处于雷达范围之外的时候；俾斯麦号因此成功地脱离了雷达接触，绕回了追击者的身后。萨福克号舰长假定俾斯麦号已经向西偏离航线，于是也向西航行试图找到它。半小时后，他通知了韦克-沃克，后者遂命令旗下三艘舰在拂晓时分散，进行目视搜索。
由于许多英国舰艇已经燃料不足，皇家海军的搜索变得狂乱起来。胜利号及其护航巡洋舰被派往西部，韦克-沃克的舰群继续向南和向西航行，而托维则继续向大西洋中部进发。H部队（英语：）的航空母舰皇家方舟号正从直布罗陀驶来，离那里至少还有一天的路程。吕特晏斯没有意识到自己已经摆脱了韦克-沃克，他向位于巴黎的海军西部集团军总部发送了长时间的无线电信息。这些信息被英国人截获，并据此确定了方位。他们在英王乔治五世号舰上错误地标绘了地图，导致托维认为俾斯麦号正通过冰岛－法罗群岛的间隙返回德国，这使他的舰群在错误的航向上行驶了七小时之久。当发现错误时，俾斯麦号已经与英舰拉开了相当大的差距。
英国的密码破译人员能够解密部分德国信息，包括1941年5月25日由简·福西特（英语：）解密的一条命令，要求德国空军为俾斯麦号前往布雷斯特提供支援。法国抵抗运动向英国人证实，德国空军部队正向那里转移。托维此时可以将他的兵力调往法国，在俾斯麦必须经过的地区集结。来自英国皇家空军第209中队（英语：）和第240中队（英语：）的两架卡特琳娜水上飞机也从北爱尔兰的阿奇代尔堡航空站（英语：）起飞加入搜索，范围涵盖了俾斯麦试图抵达德占法国可能前往的地区。5月26日10:30，美国海军少尉伦纳德·B·史密斯（英语：）驾驶的一架卡特琳娜在布雷斯特西北约690海里（1,280）处找到了它。以当前的速度，俾斯麦号可以在不到一天的时间内便到达德国U艇和空军的保护范围内。大部分英军兵力都不足以接近阻止它。
皇家海军唯一寄望的是由海军上将詹姆斯·萨默维尔（英语：）率领的皇家方舟号航空母舰和H部队。由于燃料不足，胜利号、威尔士亲王号、萨福克号和反击号被迫中断了搜索；除了H部队之外，仅存的重型舰艇是英王乔治五世号和罗德尼号，但它们离得太远了。当卡特琳娜发现俾斯麦号时，皇家方舟号的剑鱼机已经开始在附近展开搜索。几架鱼雷轰炸机也找到了这艘战列舰，距离皇家方舟号约60海里（110）。萨默维尔下令剑鱼机群返回装填鱼雷后便立即发动攻击。先前他还派出了巡洋舰谢菲尔德号去跟踪俾斯麦号，但皇家方舟号的飞行员并未得知此事。结果，装备有新型磁性雷管鱼雷的剑鱼机群意外袭击了谢菲尔德号。由于磁性雷管没有正常工作，谢菲尔德才得以毫发无损。
吸取了误击友军时磁性雷管功能失常的教训，在返回皇家方舟号后，剑鱼机群换装了配备接触式雷管的鱼雷。第二次攻击由十五架飞机组成，于19:10分起飞。19:50，皇家方舟号和声望号通过了U-556号所占据的阵位。U艇处于理想的射击角度，但在之前的行动中已耗尽了所有的鱼雷，无法发动攻击。在攻击之前，剑鱼机群于20:00与谢菲尔德号进行了第一次接触，为前者指明了前往俾斯麦号的方向。然而，它们无法找到德舰，于20:30再次向谢菲尔德询问方向。终于到20:47时，鱼雷轰炸机开始穿过云层下降进行攻击。当剑鱼机群接近时，俾斯麦号再次利用主炮施射，试图以飞溅的水柱捕捉飞机。剑鱼随即发起进攻；俾斯麦号的高射炮与轰炸机交火，并开始剧烈转向。一枚鱼雷击中左舷舰舯，正好位于主装甲带底缘的下方。爆炸的冲力在很大程度上被受到水下防护系统和装甲带的遏制，但一些结构损坏仍造成了轻微进水。
第二枚鱼雷击中了俾斯麦号的左舷舰艉，靠近左舵螺旋桨轴。左舵组件上的联轴器严重损坏，使舰舵在向左转动12°的位置上被锁定。爆炸还造成了很大的冲击破坏。船员们最终设法修复了右舷舵，但左舷舵仍然卡住。吕特晏斯否决了使用炸药切断左舵的建议，因为螺旋桨损伤将使战列舰陷入无助。21:15，吕特晏斯报告舰只已无法操纵。