再次確定一號目標艦的艦橋被摧毀之後，白佑彬果斷的下達了迫近日本艦隊的命令。
為了保證兩艘戰艦上的主炮都能向日本戰艦開火，第12-1巡洋艦編隊沒有直接衝上去，而是講航向向南偏移了二十度，並且將速度提高到了二十節。如此一來，交戰距離將在十五分鐘之後縮短到八千米以內。
失去統一指揮的日本艦隊沒有立即陷入混亂之中，只是接下來的戰鬥已無懸念可言。
九點十八分，「果敢」號終於打出了一次漂亮的跨射，而且六枚穿甲彈中有二枚命中了一號目標艦。據瞭望員報告，一枚穿甲彈打中了「嗚」炮塔處的艦體，並且在戰艦內部爆炸；來一枚穿甲彈打中了敵艦中部水線附近，該部位距離鍋爐艙不會超過了五米。
中了這兩炮之後，「利根」號的航速迅速下降到了十五節左右。
如果說一枚二百毫米穿甲彈能夠打掉「利根」號一座鍋爐艙，那麼一枚四百毫米穿甲彈不但能夠打掉並排的兩座鍋爐艙，還能在艦體上撕出一個直徑超過五米的大窟窿，並且摧毀相鄰幾個艙室的水密隔牆，造成艦體嚴重進水。
同時，「果敢」號右舷的四門一百五十毫米副炮也用密集的彈雨摧毀了「利根」號尾部的三座炮塔，以及左舷上的兩座副炮。其實。當時「果敢」號地速射炮都能打掉「利根」號的炮塔，只是白佑彬沒有讓速射炮投入戰鬥，畢竟速射炮對「利根」號的艦體沒有多大的威脅。
九點二十分，確認一號目標艦幾乎喪失了戰鬥力之後。白佑彬調整了交戰次序。
現在，雙方地「主力艦」都只有兩艘，第12艦隊掌握了絕對的優勢。隨著交戰距離繼續縮短，「果敢」號的炮擊命中率將直線提高。相反，即便交戰距離縮短到五千米，「鈴谷」號與「熊野」號的主炮也不一定能夠對「果敢」號構成威脅。
說白了，即便此時「決心」號退出戰鬥，「果敢」號也能幹掉最後兩艘日本重巡洋艦。
九點二十四分，在取勝無望的情況下，頂替近籐信竹與栗田健男的「鈴谷」號艦長讓第4水雷戰隊投入了戰鬥。
五分鐘後。「果敢」號的雷達發現了從南面殺出來的八艘日本驅逐艦。
白佑彬立即命令一直跟在後面的第12-2巡洋艦編隊。以及從西面插下去的第12-5驅逐艦編隊投入戰鬥。同時，他還命令「決心」號脫離編隊。伴隨第12-2巡洋艦編隊對付敵驅逐艦。剛剛趕到地第12-4驅逐艦編隊也從「決心」號地後方殺了出來，準備為「決心」號提供掩護。
這下，第4水雷戰隊的八艘日本驅逐艦需要面對地是四艘巡洋艦，外加十二艘驅逐艦（第1-5驅逐艦編隊的「潮波」號在與「陽炎」號驅逐艦作戰時受重傷，已經提前撤出了戰鬥。後來該艦在返回登陸場的途中沉沒）。
顯然，第4水雷戰隊很難突破這麼多巡洋艦與驅逐艦的炮火
九點三十七分，「果敢」號轉向到一百八十度，規避魚雷。同時，向「果敢」號發射魚雷的「村雨」號驅逐艦被一枚四百毫米穿甲彈擊中，並且被炸成兩截，在一分鐘不到地時間內沉沒。
九點四十一分，「果敢」號回到了原來的航線上，並且繼續用重炮轟擊五號目標艦。
此時。「鈴谷」號與「熊野」號已無戰鬥下去的決心
在開始的魚雷攻擊中。第4水雷戰隊的八艘驅逐艦，只有「夕立」號與「嵐」號僥倖逃脫。另外六艘驅逐艦要麼被迅速擊沉，要麼喪失了動力，成為了敵艦的靶子，根本無法逃出戰場。
九點四十七分，「熊野」號被一枚四百毫米穿甲彈打中艦尾，並且導致舵機卡死，開始在海面上打轉。
緊接著，白佑彬讓第12-2巡洋艦編隊與第12-4驅逐艦編隊去對付「熊野」號。九點五十五分，繞到了日本艦隊東南面的第12-3巡洋艦編隊投入戰鬥。
「漢江」號、「嘉陵江」號與「宜賓」號輕巡洋艦在距離「鈴谷」號大概七千米的距離上打出了第一輪齊射。
在這個距離上，一百五十毫米穿甲彈能夠輕易的打穿「鈴谷」號地裝甲。
實際上，這也體現出了重巡洋艦在防護方面地欠缺。即便八英吋重炮的威力更大，可是其射速遠遠不如六英吋與一百五十毫米口徑地火炮，在近距離交戰中，反而是六英吋與一百五十毫米火炮更有優勢。
九點五十七分，「熊野」號在大爆炸中沉沒。
擊沉該艦的是第12-2巡洋艦編隊與第12-4驅逐艦編隊發射的魚雷。對於無法調整航向的戰艦來說，魚雷的攻擊效能遠遠超過了炮彈。
僅僅一分鐘之後，「決心」號也遭到了魚雷攻擊！
當時，白佑彬無論如何也想不明白，「決心」號是怎麼遭到魚雷攻擊的。日本驅逐艦早已被擊退，日本艦隊還有什麼辦法用魚雷攻擊遠遠落在後面的「決心」號呢？
直到戰後，這次「神奇」的魚雷攻擊才被破解。
擊中「決心」號的，竟然是一條從「鈴谷」號上發射的魚雷！
當時，「鈴谷」號在「決心」號南面大概一萬三千米處，中間還隔著「果敢」號與第12-5驅逐艦編隊的「春潮」號。顯然，那條魚雷原本是奔「果敢」號而去的，而且幾乎擦著「果敢」號駛過，然後又從「春潮」號的肚皮底下鑽了過去，最後擊中了已經退出戰鬥的「決心」號重巡洋艦！
這條魚雷，差點要了「決心」號的小命。
裝有三百多公斤炸藥的戰雷頭炸斷了「決心」號的整個艦首，幸虧沒有破壞後面的裝甲隔板，另外「決心」號上的損管官兵迅速封閉了通往艦首的所有通道。不然的話，「決心」號肯定在劫難逃。
當然，這條魚雷也讓「決心」號花了十二天的時間才返回帝國本土，並且在船廠內躺了足足半年之久。在更換新的艦首時，帝國海軍對「決心」號做了全面改進，包括對艦體結構的大改。半年後，當「決心」號重新披掛上陣的時候，幾乎成了一艘全新的重巡洋艦，並且在後來的戰鬥中立下了赫赫戰功。
「決心」號再次受創，也讓白佑彬憤怒了。
十點十二分，最後到達的第12-6驅逐艦編隊在第12-3巡洋艦編隊的掩護下，向窮途末路的「鈴谷」號發動了魚雷攻擊。
十點十五分，「鈴谷」號被第一條魚雷擊中。
接下來的半分鐘內，又有兩條魚雷命中「鈴谷」號。
只是，這艘「頑強」的戰艦仍然漂浮在海面上，而且還在用僅剩的一座主炮，以及兩座副炮向繞到南面的第12-3巡洋艦編隊的「漢江」號輕巡洋艦開火。
十點二十一分，「果敢」號追上了「鈴谷」號，並且在三千五百米的距離內，對「鈴谷」號打出了最後一輪齊射。
這次，「果敢」號使用的不是重型穿甲彈，也不是標準穿甲彈，而是原本用來對付驅逐艦，以及岸上防禦工事的半穿甲彈。另外，六枚穿甲彈全部命中，無一「脫靶」。
相對而言，半穿甲彈對「鈴谷」號上的日本海軍官兵更有威脅。
為了提高穿甲能力，四百毫米重型穿甲彈的裝藥量不到五公斤，標準穿甲彈的裝藥量也只有八公斤，因此穿甲彈的爆炸威力並不是很大。相反，半穿甲彈的首要技術指標不是穿甲威力，而是爆炸產生的破壞力，其裝藥量多在五十公斤以上。因此，半穿甲彈爆炸的威力大得多，產生的彈片也多得多。
奄奄一息的「鈴谷」號幾乎被轟成了碎片。
十點二十七分，「鈴谷」號的桅桿頂部從海面上消失。
到此，這場持續了不到兩個半小時的海戰結束。
最終，只有「三隈」號重巡洋艦，「夕立」號與「嵐」號驅逐艦逃脫，在繞過伊豆諸島之後，返回了位於本州島西部的吳港。
在這場戰鬥中，日本第二艦隊第7戰隊的「最上」號、「鈴谷」號與「熊野」號，第8戰隊的「利根」號與「築磨」號重巡洋艦，第2水雷戰隊與第4水雷戰隊的十四艘驅逐艦全部戰沉，陣亡與失蹤官兵三千七百八十九人，另外一千八百三十六名官兵被第12艦隊打撈了起來，返回日本本土的官兵僅有一千六百二十七人，其中還包括了五百三十八名傷員，以及二百九十五具遺體。
第12艦隊只有「潮波」號驅逐艦戰沉，「決心」號遭重創，「果敢」號與另外三艘輕巡洋艦，以及七艘驅逐艦有不同程度的損傷。
除此之外，一艘停泊在登陸場的中型登陸艦被日本魚雷擊沉。
據戰後調查，那條魚雷是第2水雷戰隊的驅逐艦發射的，在航行了上萬米之後衝入登陸場，並且擊中了那艘登陸艦。幸虧登陸艦上的官兵早已上岸，船員也都及時逃離，最終只有九人陣亡，五人失蹤。
顯然，第12艦隊出色的完成了任務，不但保護了登陸場，還幾乎全殲了日本第二艦隊。
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