5點20，「菲律賓號」戰列巡洋艦在雷達中發現了35海里之外的日本戰列巡洋艦「霧島號」，5點35，雙方縮短到20海里之內時，日本人的破爛雷達也發現了敵情，立刻做好了迎擊準備，好歹沒給米國人偷襲的機會。
5點47，經過27分鐘的迎頭對沖，雙方的距離被縮短到了5。5海里，也就是區區1。1萬碼，覺得火控雷達已經可以發揮效率之後，「菲律賓號」戰列巡洋艦打響了這次小規模海戰的第一炮，雙方從迎頭對沖改為銳角戰列，為後部炮塔騰出射擊角度，且戰且縮短雙方的距離，截止到6點整，雙方從11000碼打到了8000碼，炮彈的命中率也開始提升起來。
米國人有火控雷達的先手優勢，在開火前已經做好了相對完備的準備，日本人的「霧島號」沒有火控雷達，只有搜尋雷達，要想指引炮擊那是不夠的，所有的反擊只能是等米國人開炮後根據美軍戰艦的炮口焰、炮擊頻率、每波炮彈數量來斷定美軍戰艦的主炮口徑、炮塔炮門數量，從而逆推美軍艦型，完成測距。
說起來很複雜，其實總結到對結果的影響就一條：日本戰巡需要在米國戰巡打出幾輪炮彈，在白白捱打的過程中抓準對方諸元，然後才能反擊。
更要命的是——敵艦的炮彈究竟是幾英寸口徑的，這需要敵人的炮彈命中你的軍艦，或者說至少打成近失彈，捱打的一方才能觀測準確其結果。哪怕你是在海里飄了五十年的老水兵油子，也沒人能在黑夜中聽出一枚千米之外的炮彈落海的聲音強弱、水花大小判斷出炮彈的口徑。
「霧島號」很明顯就吃了這個虧，因為米國戰列艦普遍的三座三聯裝主炮佈局，日本人一開始把這艘「阿拉斯加級」戰巡當作了使用16英寸主炮的「北卡羅來納級」或者「南達科他級」來判斷，並以此推算了對方的前後主炮塔炮口焰間距。這樣帶來的測距結果，自然因為參照物的設定錯誤就謬以千里了。
當然，這個誤判絕對不是日本人不小心或者不專業，而是因為他們的先入為主，日本人是知道美軍的「阿拉斯加級」戰列巡洋艦的存在的，但是在日本人看來，既然米國人是有備而來的算計，自然要派出實力可以完爆「霧島號」的戰艦，如果僅僅是「阿拉斯加級」這種主炮口徑比「霧島號」都小2英寸的貨色，貪生怕死的米國人應該不敢拿出來才對。
這個美麗的錯誤在米國人的炮擊持續到5點52分的時候才揭開。米國人在五分鐘的緊急射擊後，終於在9000碼的距離上對「霧島號「打出了一輪跨射，而且還在首次跨射中就擊中了日艦1枚12英寸穿甲彈。
「霧島號」的裝甲防護強度只不過和一戰時的英軍主力戰列巡洋艦相當，12英寸的炮彈撕裂了甲板裝甲，炸燬了數座艙室及兩座副炮塔。直到此時，日本人才反應過來他們的敵人是誰。連連調整測距資料，調整射擊諸元，然後又浪費了好幾分鐘的時間。
找到了感覺的米國人，瘋狂地傾瀉著炮彈，在日本人重新獲取射擊資料時，又有3枚12英寸穿甲彈光顧了「霧島號」，全艦多處被撕裂炸傷，一座主炮塔在發揮威力之前就失去了火力。
在「霧島號」和「菲律賓號」對擼的同時，美軍的巡洋艦也開始向著日本艦隊猛衝過去，護航軍艦實在太過稀少的日本人根本無法阻擋。「鳳翔號」和「瑞鶴號」航母拼命往後轉向脫離，試圖熬到天亮起飛，「霧島號」則是所有主副炮全開，竭盡全力攔截米國人的迂迴突擊。
日本人在找到夜間炮擊觀測諸元之後，其精深的炮數訓練終於讓米國人歎為觀止，僅剩6門356mm主炮的「霧島號」有效火力輸出完全不輸於英國人同口徑的「喬治五世級」。美日軍艦的命中交換比很快從0上升到了3：1，2：1，1。5：1，而且米國人的擊中優勢還是靠炮門數和射速的優勢提供的。
356mm口徑炮彈和305mm口徑炮彈的殺傷力明顯不是一個檔次上的。日本的356mm火炮雖然比較老，好歹也可以做到比德軍「沙恩霍斯特級」的320mm火炮略勝一籌，當初「阿拉斯加級」戰巡的1號艦和2號艦在德軍的「沙恩霍斯特級」炮下飲恨北大西洋，此刻託大的「菲律賓號」也面臨了這個問題。
東京時間6點15分，天色放亮的時候，「菲律賓號」累計被擊中6枚356mm穿甲彈，全艦大火，前主炮塔全毀，煙囪倒塌，艦橋設計指揮塔全毀，3座鍋爐被炸裂，基本失去了戰鬥力；「霧島號」被14枚305mm穿甲彈擊中，只剩下2座後主炮的火力輸出和一側舷側的副炮火力。
考慮到保護航母的需要，隨著美軍巡洋艦隊即將突破，「霧島號」不顧自身安危把僅剩的炮口對準美軍的巡洋艦——天亮之前，這種戰術因為美軍巡洋艦的沉默安靜而無法實施，等到它們的身形暴露在日光之下後，這一切就變為了可能。
「聖迭戈號」、「埃普頓號」等2艘重巡洋艦，「新奧爾良號」、「門羅號」、「聖安東尼奧號」、「達拉斯號」、「邁阿密號」5艘輕巡洋艦組成的兩支縱列，在天色放亮時距離「霧島號」普遍只有6000碼的距離，在「霧島號」的炮彈落下之後，已經無法隱蔽身形的美軍巡洋艦開始集中重炮火力攢射「霧島號」，美軍驅逐艦也一樣發起了魚雷衝鋒。4艘日軍驅逐艦同樣毫不畏懼地頻頻發射魚雷，試圖遲滯米國人畢竟後面的航母。
6000碼的距離實在是太近了，在10分鐘內，「聖迭戈號」、「門羅號」、「聖安東尼奧號」先後被12枚356mm炮彈擊中，巡洋艦級別的艦體被這種程度的巨炮擊中完全沒有任何抵抗力，「門羅號」甚至當場被擊穿彈藥庫炸為兩段。
勢如瘋虎的「霧島號」在同樣的時間裡，被美軍203mm與152mm巡洋艦主炮擊中了60多枚炮彈，全艦上層建築全部炸爛，非主裝甲帶覆蓋區域也遍體鱗傷找不出一處完整的地方，得到了喘息之機的「菲律賓號」也藉著這個機會用最後一座主炮塔在一邊放冷槍，為「霧島號」添上了一些新的傷痕。
日本人的轉機，是在「鳳翔號」、「瑞鶴號」航空母艦甲板上的第一批噴射著奇怪尾焰的作戰飛機騰空後到來的。12架帶著奇怪尾焰的飛機，在能見度達到起飛要求後，第一時間從兩艘航母的甲板上騰空而起，短短2分鐘內就呼嘯著衝到了炮戰中的美軍巡洋艦隊上空。
在米國人不可置信的震驚神色中，8架飛機壓低機頭俯衝下來，帶著破空戾叫，如秋月行空，如流星墜地，狠狠地砸落下來。剩餘4架則脫離編隊向著南面的遠方撒開搜尋隊形離弦而去。
半殘的「菲律賓號」戰列巡洋艦本就沒有多少防空火力了，遭到了3架日軍自殺式飛機的集中攻擊，1架因為技術不佳衝到了海里沒有撞中目標，另兩架分別撞在甲板和劍橋上，每架飛機搭載的7000磅烈性炸藥在甲板下方與艦橋基座位置起爆，「菲律賓號「如同小孩手中的油條一樣被擰成了麻花狀，崩斷的龍骨寸寸碎裂。沒有撐過10分鐘，這條剛剛服役不到2個月的美軍新銳戰列巡洋艦就躺到了冰涼的太平洋底。
「埃普頓號」、「新奧爾良號」、「達拉斯號」也各自遭到了自殺機的攻擊，8架自殺機5架命中目標，1架失的，1架沒有控制好方向形成近失彈，1架被防空火力擊落，累計擊沉美軍1艘戰列巡洋艦、1艘重巡洋艦、2艘輕巡洋艦與1艘驅逐艦——其中那艘驅逐艦就是被落在戰艦附近十幾米的「近失彈」自殺機擊沉的。驅逐艦的孱弱軀體，連數以噸計的烈性炸藥在身邊水中爆炸引起的水壓都無法抵擋，被生生撕為兩段。
海戰的形勢，登時逆轉，剩下的戰鬥，靠日軍航母上原本用於偵察用途的後備水上飛機攜帶魚雷就可以搞定，再不濟還有拖著殘軀的「霧島號」和4艘日軍驅逐艦完成。