Вечером 30 декабря немецкие силы благополучно вышли из фьорда и перестроились в поисковый ордер. Учитывая плохую погоду, Кюммец растянул свои корабли в 85-мильный фронт, причем сильнейшие корабли, «Хиппер» и «Лютцов», находились на противоположных флангах. Такое странное построение позволяло с максимальной вероятностью «зацепить» конвой, достичь внезапности, но затем создавало дополнительные сложности. Тяжелым крейсерам требовалось не менее 3 часов для сосредоточения. Находившиеся между ними эсминцы затрудняли надежное опознавание, и это в условиях очень ограниченной видимости и снежных зарядов, когда задержка на минуту-другую могла оказаться роковой.

В результате в бою активно участвовал только «Хиппер». Около 9 флагман Кюммеца вышел на один из четырех отрядов, составлявших конвой, включавший 12 судов и силы эскорта: 6 эсминцев и 5 совсем мало полезных в артиллерийском бою корветов и тральщиков. Германский командующий приказал увеличить ход до 24 узлов и оповестить все свои корабли о начале атаки. Последовала серия коротких стычек одинокого тяжелого крейсера с британскими эскадренными миноносцами, действовавшими решительно и не допустившего противника к торговым судам реальными и фиктивными торпедными атаками. Немецкие единицы того же класса (намного более мощные в артиллерийском отношении) в это время занимались потоплением оторвавшегося тральщика «Брэмбл», поврежденного снарядами с «Хиппера». Но всех превзошел «Лютцов». Штанге добросовестно взял курс на север на соединение с флагманом, развив 26 узлов — максимум, на что оказался способным его крейсер в это время и в эту погоду. Через полтора часа на горизонте появились вспышки отдаленных залпов. Кюммец приказал 3-му дивизиону эсминцев (Z-31, Z-30 и "Теодор Ридель") присоединиться к «карманнику», однако удалось это только находившемуся в прямой видимости «Риделю». Еще через четверть часа слева по носу вдали показались неясные тени — суда конвоя.

Наконец все 3 эскадренных миноносца присоединились к «Лютцову», однако их позиция позади "карманного линкора" являлась исключительно пассивной: они не могли ни прикрыть его от внезапной атаки британских «коллег», ни атаковать самим. Поэтому, когда в 10.42 слева по борту сигнальщики обнаружили неопознанную цель, Штанге предпочел отвернуть на 20 градусов, опасаясь торпедной атаки! Операторы РЛС доносили о ряде контактов на дистанциях от 35 (!) до 65 кбт, однако по мнению осторожного командира ими с равной вероятностью могли быть как суда противника, так и «Хиппер» и его эсминцы. Штанге не решился войти в разделявший его и поле боя снежный заряд, хотя видел вспышки орудийных залпов (по времени это, скорее всего, тяжелый крейсер и 2 эсминца «разбирались» с одиноким "Брэмблом"). Напротив, он отвернул еще на несколько румбов, надеясь на улучшение погоды. В 10.52 «Лютцов» шел юго-восточным курсом, достаточно точно предположив, что план Кюммеца удался, и именно туда отходит конвой, атакованный с севера «Хиппером». Однако «карманник» уклонился слишком далеко к востоку, и беззащитные суда остались у него за кормой. Штанге продолжал больше заботиться о том, чтобы остаться в зоне относительно приличной видимости, чем о решительной атаке, и в 11.06 повернул на восток. Через 10 минут слева по корме наконец показался «Хиппер», ведущий огонь по невидимым целям. Командир "карманного линкора" решил изменить свой план, соединиться с флагманом и атаковать вместе с ним с севера. «Лютцов» лег на северо-западный курс, описывая широкую дугу вокруг конвоя, так и не видя его (и не стремясь увидеть).

Оценив обстановку, Кюммец приказал Штанге атаковать голову конвоя, сам собираясь заняться арьергардом. «Лютцов» продолжал скользить на северо-запад сквозь туман и снег на 26 узлах, по-прежнему оставив свои эсминцы позади, игнорируя одиночный контакт (скорее всего с корветом "Рододендрон"). Наконец в 11.38 открылся весь конвой, находившийся теперь на юге! Казалось, причин для отказа от активных действий не оставалось. Хотя эскорт тут же начал ставить очередную дымзавесу, цели все еще виднелись, и их было более чем достаточно. Тем не менее, прошло еще 5 минут, прежде чем в 11.43 с дистанции около 75 кбт наконец заговорили 283-мм орудия, впервые за последние 2 года нацеленные на неприятеля.

После того, как с них сняли защитный крышки, объективы визиров и дальномеров мгновенно покрылись ледяной коркой от снега и брызг. Пришлось для первых залпов ориентироваться на данные радиолокатора, однако артиллеристы не могли наблюдать падения своих снарядов, поэтому 150-мм калибр прекратил стрельбу после первого же залпа, а огонь главного продолжался практически вслепую до 11.48. Англичане отвечали из смешных 102-миллиметровок с трех эсминцев типа «О» — «Обидиент», "Оруэлл" и «Обдьюрейт», давая постоянные недолеты. В 12.00 видимость чуть улучшилась, и "карманный линкор" дал еще несколько залпов из обоих калибров (претендуя на попадания из 150-мм, не подтвержденные англичанами), но спустя 5 минут огонь опять пришлось прекратить: с одной стороны, конвой закрыла дымзавеса, с другой — обстановка вообще кардинально изменилась.

Несмотря на нерешительность и излишнюю осторожность, судьба конвоя оставалась под серьезнейшей угрозой. Однако тут на сцене появилось дальнее прикрытие: 12-орудийные легкие крейсера «Шеффилд» и «Ямайка» под командованием контр-адмирала Бэрнета. Внезапность и удача оказались полностью на стороне англичан. Прекрасно использовав РЛС, крейсера Бэрнета вышли на дистанцию визуального контакта и открыли сильный и точный огонь с 6 миль, добившись трех важных попаданий в «Хиппер», орудия которого в то время оставались наведенными в другую сторону — на конвой. Флагман получил довольно серьезные повреждения (затоплено котельное отделение, возникли сильные пожары в районе ангара), и Кюммец решил отвернуть и уходить. В 12.03 Штанге получил приказ на отход, который не замедлил исполнить. Он взял курс на запад, но спустя 18 минут справа по курсу открылись 2 корабля, принятые сначала за свои. Ошибка обнаружилась быстро: все те же «Шеффилд» и «Ямайка» едва не повторили свой успех, открыв точный и плотный огонь. Дистанция составляла около 8 миль: слишком много для точной стрельбы 6-дюймовок, но вполне «комфортабельно» для 283-миллиметровок "карманного линкора". Имелся неплохой шанс отомстить за флагмана и походя потопленный к тому времени эсминец «Экольдт». Но «Лютцов» вновь начал стрелять только 6 минут спустя (обоими калибрами, главным и вспомогательным), и снова Штанге посчитал, что находится в слишком опасном с точки зрения торпедной атаки положении! Он отвернул в сторону от противника, считая, что легко отделался: снаряды англичан падали у самых бортов. Бэрнет предпочел не отдаляться от конвоя, и вполне обоснованно не стал преследовать отходящих (скорее — бегущих) немцев.

В итоге операция «Регенбоген» оказалась явной неудачей немцев во всех отношениях: стороны потеряли по эсминцу, «Хиппер» остался без "крейсерского хода" до конца службы. Но, главное, имея даже по самой заниженной оценке как минимум равные силы, рейдеры Кригсмарине совершенно не смогли выполнить задачу. Вклад «Лютцова» составлял выпущенные "в молоко" 86 снарядов главного калибра и 76 вспомогательного. Штанге проявил максимальную пассивность, вызванную, как посчитало командование флота, в основном осторожностью и опасениями за свой корабль. (Кстати, в последующей политической суматохе его не пытались никак наказать или хотя бы высказать порицание). Что самое важное, эта, в сущности, достаточно рядовая тактическая неудача имела тяжелейшие последствия. Руководители ВМФ предпочли не торопиться с представлением данным о бое Гитлеру, составляя наиболее «обтекаемый» доклад. "Вождю нации" пришлось ознакомиться с неутешительными результатами "новогоднего боя" по сообщению британского информационного агентства «Рейтер». Фюрер окончательно потерял веру в моряков своего "большого флота" и решил больше не выпускать крупные боевые корабли в океан, взяв курс исключительно на использование подводных сил.