三川编队被飞机发现后，便进入“槽海”，航向直指瓜达尔卡纳尔岛。入夜后不久，日军从两艘巡洋舰上派出水上飞机，先于编队飞至“铁底湾”，以便报告美国舰船在那里的位置，并在必要时投下照明弹。盟军有的舰只发现了日军飞机，并试图向旗舰报告。但由于天电干扰，通信受阻。因为未发空袭警报，其他舰只就把日机误为友机。午夜1时稍过，当三川编队向萨沃岛和埃斯佩兰恩斯角之间的水道航进时，日舰上的一个了望哨，在黑暗中隐隐约约地看见了盟军担任警戒的“布卢”号驱逐舰。于是，全舰立即准备战斗，各炮位均做好了射击准备。可是那艘担任警戒的军舰却无任何反应，似乎什么也没发现，迅速消失在黑暗之中。三川觉得奇怪，怀疑其中有诈，则派1艘驱逐舰去监视“布卢”号，并命令：如果“布卢”号向我军接近，就把它击沉。
珍珠港事件后，美军和盟军的防御并非无懈可击。日机已经飞临顶空，并投下照明弹，把周围照得通亮；三川编队的几艘巡洋舰已经驶到南区巡逻队的附近，并实施了鱼雷和火炮射击。直到这时，美国驱逐舰“帕特森”号才用报话机发出警报：“注意！注意！发现可疑舰只侵入港内”可是，为时已迟。盟军舰只还未来得及开炮还击，惊慌失措的鱼雷兵还未做好鱼雷射击准备，日军的鱼雷就已炸毁了美国重巡洋舰“芝加哥”号的舰艏，击中了澳大利亚重巡洋舰“堪培拉”的舰舷。两舰行动失灵，在弹雨中开始燃烧。
没有遭受损伤的日军突击编队，这时兵分两路，转而向北急驶。3艘巡洋舰向盟军北区巡逻队的前方急进，4艘巡洋舰从盟军北区巡逻队的后方迂回；接着打开探照灯，以猛烈的炮火轰击北区巡逻队。北区巡逻队中的3艘美国重巡洋舰(“文森斯”号、“阿斯托里亚”号和“昆西”号)未过几分钟就在熊熊烈火中倾斜了。三川的旗舰“鸟海”号被“昆西”号击中两发炮弹，司令部海图室被炸毁，34人丧命。盟军还有其他巡洋舰也被炮弹击中，但是损伤轻微。次日2时20分，三川将军下令：“全部舰只撤出战斗”。于是，日军突击编队经“槽海”返航。但是，在萨沃岛以北，又同进行警戒任务的美国驱逐舰“拉尔夫·塔尔伯特”号遭遇，日军集中炮火摧毁了该舰的上层建筑。
三川意识到，他的使命尚未全部完成，本想返回“铁底湾”去摧毁敌人的运输船。可是他又判断，弗莱彻的航空母舰已经开始追击，其舰载机定会在拂晓时实施突击。因此，他放弃了再闯“铁底湾”的念头。三川认为，向西北规避得越远，得到腊包尔基地己方飞机掩护的机会越多。其实，弗莱彻的编队已获准撤出瓜达尔卡纳尔岛海域，当时正朝着与三川编队相反的方向航行。到8月9日黎明时，美国的航空母舰已经远离战场，向东南方向撤去。日军的突击编队通过“槽海”顺利返航。
美重巡洋舰“昆西”号和“文森斯”号在战斗结束后不久，就沉没在瓜达尔卡纳尔岛海域。澳大利亚重巡洋舰“堪培拉”号重伤，难以自行驶离“铁底湾”，次日8时，由美军的驱逐舰将其击沉。美重巡洋舰“阿斯托里亚”号虽还漂浮了一段时间，但到中午也沉入海底。在这次海战中，盟军损失4艘重巡洋舰和1000余名舰员。这清楚地证明，日军善于夜战的自信是有根据的。