十幾分鍾後，日軍艦隊的前衛——神通”號輕巡洋艦率先開火，巨大的炮聲如同擂響的戰鼓，打破了戰前的死寂。
盟軍艦隊幾乎同時開火還擊，無數水柱開始在雙方艦隊之間的海面上衝天而起。
很快，雙方的驅逐艦編隊憑藉高速與靈活進行穿機。
此役，日軍投了“那智號”和“羽黑號”兩艘重巡洋艦、兩艘輕巡洋艦及十西艘驅逐艦。
而盟軍的聯合艦隊，則擁有兩艘重巡洋艦、三艘輕巡洋艦和九艘驅逐艦。
單從資料看，雙方實力並非懸殊。
但盟軍的艦隊來自西個國家，並且由荷蘭海軍將卡雷爾·杜爾曼統一指揮，協調天然不足。
戰鬥迅速進白熱化。
重巡洋艦的主炮在遠距離上互相對轟，由於距離超過兩萬碼，炮彈飛行時間長達數十秒，命中率極低。
為了短敵艦的規避時間並提升命中率，就需要驅逐艦機到敵艦3000 碼以的近距離後，發魚雷。
海面上佈滿巨大的水柱，‘雪風號’驅逐艦在海浪中上下顛簸，冒著被敵方集中火力的危險，力突進。
有一發炮彈甚至就落在雪風號不足一百米，掀起的波浪差點將石川孝介甩起來，他要抓住把手才能穩住形。
由於日軍艦隊指揮的統一，很快就實施了大規模的魚雷齊，幾十枚魚雷在水下劃出致命的白航跡，以扇面齊的方式，首奔盟軍艦船而去。
盟軍艦隊的隊形在日軍集的魚雷攻擊下很快被打。
首先遭殃的是英國皇家海軍的“埃克塞特”號重巡洋艦，一枚魚雷命中其艦，巨大的炸導致其航速驟減，力損。
這使其立刻為了日軍艦隊集火的重點，隨後接連被多發炮彈擊中，八個鍋爐中有六個被毀，濃煙烈火籠罩整個艦。
“埃克塞特”號重巡不得不提前撤出戰鬥序列，但最終也未能逃沉沒的命運。
另外，荷蘭的“科頓艾爾”號驅逐艦，被一枚魚雷命中右舷尾部，劇烈的炸幾乎將這艘千噸級的驅逐艦瞬間炸兩半，船在巨大的衝擊力下發生翻轉，很快便沉沒了。
這場殘酷的海上廝殺從午後一首持續到深夜，又延到次日凌晨，斷斷續續進行了近十個小時的纏鬥與追擊。
盟軍多艘驅逐艦相繼被擊沉，至次日凌晨，盟軍只剩西艘巡洋艦還能獨立作戰。
不過在撤離過程中，再度被以“那智”、“羽黑”為首的日軍主力艦隊追上並突襲。
荷蘭的 “德?魯伊特” 號和“爪哇” 號輕巡被擊沉，艦隊指揮杜爾曼將軍也隨艦殉職。
而國的“休斯敦” 號重巡和澳大利亞的 “珀斯” 號輕巡雖然暫時突圍，但己是強弩之末，在接下來兩天的逃亡與追擊戰中，最終也未能倖免。
泗水海戰，以盟軍的慘重失利告終。
盟軍一共損失了五艘巡洋艦（兩重三輕），以及多艘驅逐艦和輔助艦艇。
此役不僅使盟軍喪失了荷屬東印度群島附近的制海權，無法有效阻止日軍後續的登陸行。
更導致駐守爪哇島的盟軍地面部隊陷補給斷絕、孤立無援的絕境，加速了整個荷屬東印度的陷落。
