Alle 22:36 del 24 ottobre una delle motosiluranti, la PT-131, ottenne il primo contatto con le navi giapponesi in avvicinamento, dando il via alla battaglia; alle 00:25 del 25 ottobre Oldendorf iniziò a ricevere i rapporti sul contatto, le prime indicazioni accurate sulla posizione della Forza meridionale da oltre quattordici ore.

Fino alle 2:13, sezione dopo sezione, le PT boat statunitensi si lanciarono contro le unità giapponesi solo per venire respinte dall'intenso fuoco di risposta del nemico; delle trenta motosiluranti impiegate nell'azione, nessuna riuscì a mettere a segno colpi sulle unità nemiche, mentre una (la PT-493) fu affondata e dieci danneggiate dai giapponesi.

Mano a mano che i rapporti delle PT raggiungevano Oldendorf, questi li girava ai comandanti dei distaccamenti di cacciatorpediniere dislocati più a nord; alle 2:40 la McGowan del 54º Squadrone cacciatorpediniere (DesRon 54) fu la prima ad avvistare le unità di Nishimura, ormai al centro dello stretto^[56]. Alle 3:00 tre unità dello squadrone lanciarono i loro siluri contro le navi giapponesi dal lato di tribordo mentre nove minuti più tardi altre due facevano altrettanto dal lato di babordo: la Yamashiro incassò un siluro senza problemi, ma il cacciatorpediniere Yamagumo fu colpito in pieno ed affondò rapidamente entro le 3:19, il Michishio venne immobilizzato e lo Asagumo perse la prua, anche se, muovendo lentamente, fu in grado di ritirarsi^[57]; colpita da uno o due siluri ed in preda alle fiamme, la corazzata Fusō uscì dalla formazione ed alle 3:38 esplose fragorosamente spezzandosi in due tronconi, che andarono alla deriva giù per lo stretto.

Oldendorf riportò nel suo rapporto preliminare che «...alle 03:20 il ComDesRon54 (comandante della 54ª squadriglia cacciatorpediniere) notificava un colpo a segno ed una grossa esplosione su una nave, visti dalla ammiraglia»^[58][21]. Fu poi la volta del DesRon 24, che tra le 3:23 e le 3:26 riuscì a piazzare un secondo siluro sulla Yamashiro ed a finire il Michishio; l'ultimo attacco dei cacciatorpediniere si ebbe tra le 3:54 e le 4:14, ma non ottenne risultati, anche perché la linea da battaglia statunitense aveva iniziato a fare fuoco: il cacciatorpediniere Albert W. Grant finì preso in mezzo dal fuoco incrociato, incassando sette proiettili giapponesi ed undici statunitensi che provocarono un totale di 34 morti e 94 feriti.

Alle 3:16 i radar della West Virginia individuarono le navi sopravvissute della forza di Nishimura a una distanza di 38 km nel buio più fondo e ottennero una soluzione di tiro a 27 km. Alle 03:51 Oldendorf ordinò agli incrociatori di aprire il fuoco con i pezzi principali da 150 mm: le unità Alleate scatenarono un elevato volume di fuoco sul nemico, con il solo Columbia che sparò 1.147 colpi in diciotto minuti.

Due minuti dopo la West Virginia aprì il fuoco con gli otto cannoni da 406 mm delle sue batterie principali a una distanza di 21 km, colpendo la Yamashiro con la sua prima salva; proseguì quindi sparando in totale 93 proiettili. Alle 3:55 si unirono la California e la Tennessee, che spararono un totale di 69 e 63 proiettili da 355 mm: il sistema di tiro controllato dal radar permise a queste navi di colpire bersagli a una distanza tale da tenersi fuori dalla portata di tiro dei giapponesi, i cui sistemi di controllo del tiro erano meno avanzati^[59]. Le altre tre navi statunitensi, equipaggiate con radar di controllo dell'artiglieria meno evoluti, ebbero difficoltà ad ottenere una soluzione di tiro: la Maryland alla fine riuscì a ottenere un contatto visivo grazie agli spruzzi prodotti dai proiettili delle altre navi e sparò un totale di 48 proiettili da 400 mm; la Pennsylvania non riuscì a trovare un bersaglio e i suoi cannoni rimasero muti, mentre la Mississippi ottenne una soluzione di tiro alla fine della battaglia e sparò solo una salva completa di dodici colpi da 360 mm^[.

Questa fu l'ultima salva mai sparata da una nave da battaglia contro un'altra nave della stessa categoria.

Le unità giapponesi incassarono un gran numero di colpi senza quasi avere la possibilità di rispondere: allagata oltre ogni controllo, la Yamashiro si capovolse lentamente ed affondò alle 4:19, portando con sé Nishimura e gran parte dell'equipaggio, mentre l'incrociatore Mogami, sebbene incendiato e con il ponte di comando distrutto, riuscì a virare ed a ritirarsi lentamente giù per lo stretto; sopravvissuto alla tempesta di fuoco statunitense, il cacciatorpediniere Shigure, l'ultimo rimasto del gruppo di Nishimura, riuscì a virare, ma un colpo danneggiò il suo timone obbligandolo ad andare alla deriva verso sud.