マレー沖海戦
英艦隊上空に最初に到達したのは、美幌航空隊(白井中隊)の爆装九六式陸攻8機だった。英艦隊は突如出現した8機の日本軍機に対空砲火を浴びせるが、効果はなかった。午後12時45分、美幌空陸攻隊8機はレパルスを目標に各機2発搭載した250kg爆弾による水平爆撃を実施する。第二小隊二番機は第一弾投下直後に被弾したため第二弾を投下できず、別の1機も故障で投下ができなかったため、250kg爆弾計14発が投下された。このうち、最初の爆撃での1発がレパルスの右舷後部カタパルト付近に命中。右舷後部飛行機格納庫甲板、海兵隊員居住区甲板を貫通し、装甲を施した下甲板で爆発した。爆風でダメージコントロール班員が多数死傷、副長は消火隊5隊を投入したが、中々鎮火できなかった。またカタパルト上の水上機1機が炎上し、海中投棄された。最大の被害は、命中箇所直下の罐室で高圧蒸気管が破裂したことだった。このような事態になってもフィリップス提督はイギリス空軍に掩護を求めず、バッファロー戦闘機はシンガポールで待機したままだった。この攻撃の後レパルスは25ノットで航行した。
水平爆撃を行った美幌航空隊白井中隊が退避する中、元山航空隊九六陸攻隊16機(雷装)が英艦隊上空に到達する。フィリップス提督は日本軍機が雷撃を行えるとは考えておらず、プリンス・オブ・ウェールズの反応は遅れた。英軍にとって不運なことに、対空火器として期待を集めたポンポン砲は頻繁に故障を起こした。日本軍航空隊は、第一中隊(石原薫大尉)9機と第二中隊(高井貞夫大尉)6機(第二小隊一番機はエンジン故障で帰投)の二手に分かれ、それぞれプリンス・オブ・ウェールズとレパルスに雷撃を行った。
午後1時37分、宮内七三少佐率いる鹿屋航空隊の一式陸上攻撃機26機は積雲の切れ間から右方向に水上偵察機を発見、午後1時47-48分に雲下に出ると英艦隊を発見した。この水上機は、レパルスから発進したビル・クローザー准尉のスーパーマリン ウォーラス水上偵察機だった。「我れ航行の自由を失えり」の信号旗を掲げたプリンス・オブ・ウェールズは推進軸損傷のため20ノットで緩慢に左旋回し、レパルスは28ノットに増速すると右に急速転舵する。鹿屋航空隊第一中隊9機のうち、4機がプリンス・オブ・ウェールズを攻撃して右舷に魚雷3本・左舷1本命中を主張。5機がレパルスに向かい、左舷に魚雷1本を命中させて左舷機関室に浸水を生じさせた。
続いて鹿屋航空隊第二中隊8機は、2機がプリンス・オブ・ウェールズを攻撃して右舷に魚雷1本命中を主張、6機がレパルスを攻撃し、プリンス・オブ・ウェールズに合計魚雷4-5本、レパルスに魚雷合計7-10本命中を主張している。これは魚雷命中の水柱を攻撃側が自機の戦果と誤認したものであり、鹿屋空第一中隊第二小隊長として本海戦に参加した須藤は、レパルスへの魚雷命中は5-6本程度と推測している。レパルスに乗艦していたイギリス人記者によれば、最初に左舷へ魚雷2本(機関部浸水)、次に右舷中央部に2本、最後に1本が後部に命中したと記録している。また、命中したものの不発だった魚雷も目撃されている。
午前11時30分に駆逐艦テネドスから「われ爆撃を受けつつあり」と報告があり、午前11時40分に戦艦プリンスオブウェールズは一機の日本機(帆足正音予備少尉乗機)を発見した。後に帆足機が「針路60度-30度-160度」と逐次報告したのは、この艦隊運動とする意見もある。
日本軍も英艦隊をなかなか発見できなかった。九六陸攻に比べ速力の出る一式陸攻部隊はシンガポール付近まで進出したという。11時13分、サイゴンに引き返す途中の4番索敵機が帰還中のテネドス(英艦隊より東南東130マイル)を発見して60kg爆弾2発を投下したが命中せず、英駆逐艦の位置を発信した。午後12時14分、500kg爆弾を装備する元山航空隊第三中隊(二階堂大尉)の九六陸攻9機が戦艦レパルスと見誤って攻撃したものの命中弾は得られなかった。テネドスは負傷者1名を出したものの無傷でシンガポールに退避した。
午前11時45分、3番索敵機(機長・帆足正音予備少尉)が東洋艦隊主力を発見し、約15分の間に司令部に以下の3つの電文を打電した。
敵主力見ユ、北緯四度、東経一〇三度五五分、針路六〇度、一一四五
敵主力ハ三〇度ニ変針ス、一一五〇
敵主力ハ駆逐艦三隻ヨリナル直衛ヲ配ス、航行序列、キング型、レパルス、一二〇五
司令部はすぐさま各攻撃隊に電文を転送し、各攻撃隊は英艦隊に殺到した。帆足は独断で索敵コースを変更しており、英艦隊の射撃を受けてから「敵発見」を報告するなど不手際があったが、その過失を問われることはなかった。
プリンス・オブ・ウェールズは重大な損傷を受けたにも拘らず、レパルスに被害を報告せず、レパルスのテナント艦長は旗艦の動きと傾斜から損害を推測するのみであった。この他、魚雷1本が駆逐艦エクスプレスの付近で自爆した。
午後1時20分、美幌航空隊第四中隊(高橋勝作大尉)の九六式陸攻8機が戦場に到達した。第四中隊も元山航空隊と同じくレパルスと金剛の見分けがつかず、対空射撃を受けてから英軍と確信した。午後1時27分、故障で魚雷投下に失敗した高橋機を除く7機が魚雷7本を投下するもレパルスは全て回避する。高橋中隊の損害は小破3機で、魚雷投下行動を2度やりなおした高橋機の損害は大きかった。第四中隊は魚雷3本命中・左舷傾斜を主張するが、実際には命中していない。午後1時28分(1157)、レパルスのテナント艦長は独断で無線封止を破り「発レパルス、宛関連全友軍艦艇。我敵機の雷爆撃を受けつつあり、至急空軍の援助を乞う、位置134NYTW22X09、時刻1158」と発信した。午後1時46分、11機のF2Aブリュースターバッファロー戦闘機がシンガポールを発進したが、到着見込みは午後2時30分以降であった。これに関して、午後12時30分までにイギリス空軍が出動しなければ、日本軍航空隊の空襲までにバッファローが英艦隊上空に到達できないという指摘もある。
午後2時37分、小沢中将は潜水部隊に対し、「潜水部隊ハ敵損傷主力艦ニ集中セヨ」と命じたが、潜水部隊指揮官の吉富説三少将は英主力艦二隻の沈没を知ると、潜水部隊に対し午後3時15分に次期作戦命令を与えた。
潜水戦隊の軽巡洋艦(鬼怒、由良)は輸送船団護衛部隊と共に行動、潜水母艦はカムラン湾に所在だった。
日本海軍はマレー作戦の兵力をこの方面に向かわせていた。内容は高雄型重巡洋艦2番艦愛宕を旗艦とする南方部隊本隊(指揮官近藤信竹中将/第二艦隊司令長官、参謀長白石萬隆少将)があり、南方部隊本隊の戦力は第四戦隊(愛宕《第二艦隊旗艦兼第四戦隊旗艦》〔艦長伊集院松治大佐〕、高雄〔艦長朝倉豊次大佐〕)、第三戦隊第2小隊(金剛〔艦長小柳冨次大佐〕、榛名〔艦長高間完大佐〕)、第4駆逐隊(司令有賀幸作大佐:第1小隊〔嵐、野分〕、第2小隊〔萩風、舞風〕)、第6駆逐隊(司令成田茂一大佐:第1小隊〔響、暁〕)、第8駆逐隊(司令阿部俊雄大佐:第1小隊〔大潮、朝潮〕、第2小隊〔満潮、荒潮〕)という編成だった。愛宕麾下の金剛型戦艦2隻(金剛、榛名)は近代化改装を受けてはいたが、両艦とも艦齢30年になる老艦であり、また元来巡洋戦艦だったため、兵装・装甲の厚さも最新鋭戦艦プリンス・オブ・ウェールズより劣っていた。他に重巡洋艦や水雷戦隊もあったが、英艦隊との砲力の差は如何ともしがたく、万が一の際は水雷攻撃に全力を傾けるつもりであった。連合艦隊参謀長宇垣纏少将は「ウェールズをやっつけたら、次はジョージ5世でも6世でも良い」と日記に残している。戦艦を増強すべきとの意見もあったが、山本五十六連合艦隊司令長官は雷撃隊で十分だと思うとしてその意見は容れなかった。
また、第一航空部隊として松永貞市少将を司令とする第二十二航空戦隊(美幌航空隊 元山航空隊:九六式陸上攻撃機27、元山航空隊 サイゴン基地:九六陸攻27)を南方に進出待機させ、新たに鹿屋航空隊の一式陸上攻撃機54機を配備してイギリス東洋艦隊を待ちうけていた。
金剛・榛名以下の艦隊はカムラン湾に引き上げて燃料補給を実施することとした。輸送船団護衛の任にあった小沢治三郎中将(重巡洋艦鳥海座乗)指揮の南遣艦隊(巡洋艦及び水雷戦隊など)も、上陸部隊を乗せた輸送船団の護衛を終えてカムラン湾に引き返しつつあった。
12月9日午後2時30分、馬来部隊司令部は、英戦艦がセレター軍港に在泊しているという陸偵報告を受信した。開戦前の12月6日に日本の船団部隊は英軍機に触接されたので小沢中将は英軍による先制攻撃の公算が大きいと判断して厳重に警戒していたが、英軍の反撃がないまま上陸に成功し、輸送船の荷揚げが続行されているだけの状態では今後反撃を受けても、上陸部隊に損害はなく、若干の物資と空船を損失する程度で、英軍の反撃好機と日本の危険な時期は過ぎていた。しかし、将来的に好機をつかんで反撃に来る公算はあり、これに対し、南シナ海の哨戒強化、セレター在泊中の英戦艦に航空攻撃を加えて同港からの後退を強要する必要があった。さらに作戦海面では敵潜出没の報が頻繁にあり、少なくとも3隻以上の潜水艦が作戦に従事している様子で各部隊は対潜掃蕩を徹底してその制圧撃破を図る必要もあった。これらの情勢判断に基づき、小沢中将は主に航空部隊と潜水部隊をもって英海空部隊の反撃に備え、水上部隊の大部分は次期作戦の準備を行うと定めて発令した。
プリンス・オブ・ウェールズには午後1時50分ごろ魚雷1本が艦首右舷に命中、2本目が艦橋右舷付近に命中、3本目は後部三番砲塔右舷付近に命中、4本目は右舷外側推進器軸付近に命中し、プリンス・オブ・ウェールズの傾斜は回復したものの1軸運転・最大発揮速力8ノットとなった。武田中隊が命中させた爆弾はプリンス・オブ・ウェールズの最上甲板を貫通して艦内で炸裂、同艦の船体中央部の飛行機甲板は全体が盛り上がるほどの損傷を受け、さらに通称「シネマデッキ」に収容されていた負傷兵に多数の死者が出たほか、火災の煙が罐室に逆流・機関兵は退去した。武田大尉はプリンス・オブ・ウェールズがシンガポールに帰航する可能性を考慮し、日本軍潜水艦によりプリンス・オブ・ウェールズにとどめを刺すよう要請して戦場を離脱した。
なお、日本軍航空隊は救助作業を行うイギリスの駆逐艦を攻撃せず、救助作業を妨害しなかった。これには2つの理由があり、1つ目は、爆弾や魚雷を使い果たした上に燃料が少なかったことで、戦後、須藤(一式陸攻雷撃隊)から事情を聞いたプリンス・オブ・ウェールズのゴーディ機関長は落胆している。2つ目の理由は美幌航空隊の壱岐春記大尉のようにイギリス海軍将兵の戦いぶりに敬意を表したもので、残った機銃で機銃掃射をし、救助作業を妨害することも可能であったにもかかわらず、それをせずに帰還している。生存者の一部はシンガポールに上陸したものの、その後のシンガポール陥落時に日本軍の捕虜となってしまった。