Pertempuran itu terdiri atas serangkaian percobaan lebih dari 7 jam oleh Angkatan Serangan Gabungan Doorman untuk mencapai dan menyerang konvoi penyerbu itu; masing-masing ditolak telak oleh angkatan pengawal dengan kekalahan berat yang dipanggul pihak Sekutu.
Armada itu bertemu satu masasama lain sekitar pukul 16:00 pada tanggal [[27 Februari]] dan dekat ke jarak tembak, mulai menembak pada pukul 16:16. Kedua belah pihak menunjukkan kecakapan penggunaan meriam dan torpedo yang rendah selama fase awal pertempuran ini. Satu-satunya contoh terkemuka penggunaan meriam ini adalah ''Exeter'' yang dibuat rusak parah dengan tabrakan di ruang ketel oleh granat 8 inci. Kapal itu kemudian berjalan terseok-seok ke Surabaya, dikawal oelh ''Witte de With''. Jepang melincurkan 2 salvo torpedo besar berjumlah 92, namun hanya mencetak 1 hantaman ke ''Kortenaer'' yang dihantam oleh [[Torpedo Laras Panjang Jepang|Laras Panjang]], pecah menjadi 2 dan tenggelam dengan cepat setelah hantaman itu. ''Electra'', yang melindungi ''Exeter'', terlibat duel dengan ''Jintsu'' dan ''Asagumo'', mencetak beberapa hantaman namun menderita kerusakan parah pada bangunan bagian atasnya. Setelah tembakan serius yang dimulai di ''Electra'' dan menara kecilnya yang tersisa kehabisan amunisi, perintah meninggalkan kapal diserukan. Di pihak Jepang, hanya ''Asagumo'' yang terpaksa mundur karena rusak.
Armada Sekutu terpecah dan pergi sekitar pukul 18:00, ditutupi oleh tabir asap yang diciptakan oleh 4 kapal pemburu US Destroyer Division (DesDiv) 58. Mereka juga melancarkan serangan torpedo namun kisarannya untuk efektif terlalu lama. Angkatan Doorman berbalik ke selatan menuju pesisir Jawa, kemudian ke barat dan ke utara untuk mencoba menyelamatkan diri dari kelompok pengawal Jepang namun terperangkap oleh konvoi itu. Di saat itulah kapal-kapal DesDiv 58 yang torpedonya dikeluarkan meninggalkan rencananya sendiri untuk kembali ke Surabaya.
