22時17分，首先發現目標的是“淮河”號重巡洋艦上的124型雷達，他在18km距離上發現了以18節航速向維克島方向行駛的白鷹重巡洋艦群的蹤跡。在判斷了對方航向后，“淮河”號艦長兼編隊指揮官李波中校立即命令艦隊中的驅逐艦出列，向白鷹艦隊發射了24枚綽號“長矛”的y-17型重型魚雷，這種610mm的重型魚雷采用純氧作為助燃劑，航速48節時，射程為22km，而在航速33節時，射程則達到了恐怖的40km。此后，由于不清楚對方雷達性能，李波命令各艦減速至25節，逐漸逼近白鷹艦隊。
22時37分，在毫無征兆的情況下，“印第安納波利斯號”重巡洋艦的艦艉突然迸發出一個巨大的火球，“長矛”魚雷500公斤的戰斗部徹底摧毀了他的艦艉。四根傳動軸中，左邊2根被直接炸斷，右側2根也被徹底卡死，這條1萬噸的戰艦瞬間失去了動力，只能如同一條瀕死的鯨魚一樣在海面上慢慢滑行。更要命的是，海水從艦艉巨大的破口中涌入了輪機艙，海水以及激起的蒸汽，瞬間殺死了里面值班的三十多名水兵。隨著進水量的增加，“波利斯號”的艦艉已經開始慢慢下沉。
面對突如其來的襲擊，“印第安納波利斯號”的船長邁卡威中校的反應也很迅速，他一邊下令通訊軍官發出求救信號，一邊組織人手去封堵缺口，然而，這一切都已經無濟于事了。
22時49分，“印第安納波利斯號”翻了一個身，帶著100多名艦員沉入了關島東北約100km處的海底，海面上則到處漂浮著尸體、燃油、雜物和跳水的船員。
而在此時，剩余的3艘白鷹戰艦卻已經顧不上救援同伴了，因為就在魚雷擊中“印第安納波利斯號”的1分鐘前，“新奧爾良”號重巡洋艦上的sk雷達發現了14km外的“淮河”號編隊的蹤跡，經過一番掙扎后，第一巡洋艦分隊指揮官倫納德中校不得不在命令通信軍官向關島基地報告“印第安納波利斯號”位置后，下令艦隊加速逃離。同樣的，在發現魚雷擊中目標后，李波中校命令艦隊提速至33節，全力追擊白鷹艦隊。而且3艘驅逐艦更是以38節的高速，沖出編隊序列，試圖截住“新奧爾良”號編隊的去路。
經過一個多小時的追逐，23時51分，“淮河”號編隊終于成功將雙方距離迫近至10km，隨即在311型雷達的引導下利用艦艏的兩座3聯裝203mm主炮開始對“新奧爾良”號進行射擊，隨后編隊中“漢江”號重巡洋艦和“鹽城”號輕巡洋艦也在雷達引導下開始了射擊。而“新奧爾良”號編隊雖然沒有安裝火控雷達，但是也借著對方炮口的火光，用尾炮開始還擊，當然，這種賭博式的還擊就談不上什么命中率了。
“淮河”號編隊這邊則是完全不同的情況，雖然是高速追擊，但是在雷達的引導下，“淮河”號的第二輪射擊就對“新奧爾良”號打出了跨射，炮彈掀起的高大水柱將“新奧爾良”號的觀察哨澆了個透心涼，飛濺的彈片打在他的艦體上噼啪作響。很快，“漢江”號重巡洋艦在第四輪射擊中，也對“波特蘭”號打出了齊射。
“鹽城”號輕巡洋艦則對上了“彭薩科拉”號，由于噸位較小，雖然射速極快，但艦體高速航行時帶來的震動，讓他號射出的155mm炮彈不是遠失就是近失，遲遲無法打開局面。就在槍炮長楊洪上尉正要罵娘的時候，奇跡發生了，“鹽城”號第九輪齊射打出的兩發155mm炮彈分別擊中了“彭薩科拉”號的c炮塔和2號煙囪。
155mm穿甲彈無情地撕開了僅有19mm的炮彈裝甲后爆炸，殺死了里面的全部水兵，并導致炮塔內存儲的發射藥殉爆，引發了大火，好在白鷹水兵訓練有素，在提取彈藥時按照規范關閉了防火門，引發的大火才沒波及彈藥艙。但這已經“彭薩科拉”號的反擊火力一下銳減了40%。
不過，更大麻煩來自擊中2號煙囪的那發炮彈，雖然沒有直接造成多少傷亡，但是這發炮彈爆炸的沖擊波，摧毀了通往2號煙囪的鍋爐排煙管道，倒灌的煙氣讓“彭薩科拉”的鍋爐室內一片大亂，加上排煙不暢帶來的動力損失，“彭薩科拉”號的航速一下子就掉到了15節。
面對受損減速的對手，“鹽城”號立即轉向，擺出了全炮齊射的角度，4座三聯裝155mm火炮全速射擊，以10發/分的單炮射速向“彭薩科拉”號全力傾瀉彈藥，而動力銳減的白鷹重巡也失去了之前幸運，僅僅一分鐘內，“鹽城”就連續取得了8次命中，將只有輕巡級別防護的對手打成了火把。
23時54分，也就是“鹽城”號取得命中的2分鐘后，“淮河”號的努力也收到了成效，1發203mm近失彈在“新奧爾良”號艦艉炸開，變形的裝甲板卡死了他的尾舵，艦長倫納德中校不得不命令“新奧爾良”號順勢轉向至t頭位置，全力對“淮河”號編隊進行攔阻射擊，“新奧爾良”號的命運也就此注定。
23時58分，一發來自“新奧爾良”號的炮彈鬼使神差地命中了“漢江”號的2號炮塔，雖然沒能擊穿炮塔裝甲，但撞擊和爆炸帶來的沖擊波還是將炮塔內的水兵全部震死震暈。
23時59分，“新奧爾良”號再次取得命中，這次倒霉的是“淮河”號，一枚203mm炮彈在他的主桅桿間炸開，瞬間，“淮河”號指揮中心的雷達屏幕上變成了一片漆黑。
不過，“新奧爾良”號好運就此結束了，之前的兩次命中消耗掉了他全部的運氣，在他擊毀“淮河”號主桅的幾乎同時，來自“淮河”號的2發近失彈落在了距離“新奧爾良”號艦體約10米的地方，他們鉆入水面，在水中經過幾秒鐘的滑行后，恰好繞開了“新奧爾良”號127mm的水線裝甲，鉆入了他的艦體。第一發在輪機艙中爆炸，橫飛的彈片以及管線中泄露的高溫蒸汽瞬間殺死了里面的水兵。而第二發更要命，直接在擊穿了102mm的裝甲后，鉆入了彈藥庫。
當李波中校還在為雷達被摧毀懊惱不已時，“淮河”號艦艏8km處騰起的一個巨大的火球直接讓他呆立當場，“新奧爾良”號的彈藥庫殉爆了！0時6分，這艘有著“世界上最好的條約重巡”之稱的戰艦，徹底消失在了南安定洋的海面上，全艦自艦長倫納德中校以下868名官兵無一生還。
受“新奧爾良”號攔阻射擊的影響，“漢江”號也不得不放慢了追擊的腳步，“波特蘭”號趁機將雙方的距離逐漸拉開。眼見無法追上對手的“漢江”號掉頭把怒火傾瀉在了“彭薩科拉”號身上。不到20分鐘，這艘重巡洋艦的4座主炮塔和8座127mm高平兩用炮已經全部被摧毀，徹底喪失了還手能力。0時37分，在確認其幸存艦員撤離后，“芭提雅”號驅逐艦用魚雷將“彭薩科拉”號擊沉。
此役，帝國海軍“淮河”號編隊在不具火力優勢的情況下，借助艦載雷達，先敵發現，先敵攻擊，以2艘重巡洋艦輕傷的微弱代價，擊沉白鷹海軍重巡洋艦3艘，開創了利用雷達開展夜間海戰的先河，史稱“關島夜戰”！
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