Вице-адмирал Холланд принял решение сосредоточить огонь своих двух тяжелых кораблей на «Бисмарке», оставив «Принц Ойген» крейсерам. Но, когда противники увидели друг друга выяснилось, что все преимущества были у немцев, которые находились слишком далеко впереди по правому борту, при этом кормовые башни «Худа» и «Принс оф Уэльс» не могли вступить в бой, в тоже самое время, «Бисмарк» мог вести огонь из всех орудий. Поэтому вместо восьми 381 -мм и десяти 356-мм орудий британской эскадры против восьми 380-мм и стольких же 203-мм у немцев, соотношение изменилось до четырех 381-мм и пяти 356-мм орудий, так как одно из орудий «Принс оф Уэльс» оказалось неисправным.

Все четыре корабля открыли огонь с дистанции 13 миль в 5 ч 33 мин. Немцы сконцентрировали его на «Худе», который шел головным. Адмирал Холланд приказал открыть огонь по левому кораблю, считая, что это линкор. На самом деле это был «Принц Ойген» — ошибка выяснилась только после того, как начал стрелять «Бисмарк». Артиллерийский офицер «Принс оф Уэльс» разобрался, что крейсер идет головным и был готов произвести наводку по правому вражескому кораблю.

Разобравшись, кто из противников «Принц Ойген», артиллеристы линкора вскоре стали наблюдать всплески своих снарядов у «Бисмарка». «Худ» еще не перенес огня. Только шестой залп «Принс оф Уэльс» лег около цели, несмотря на то, что радиолокационная станция британского линкора работала. Волны захлестывали бак и дальномеры в башнях «А» и «В» использовать не представлялось возможным. Приходилось полагаться на 4,6-м дальномер в командно-дальномерном посту главного калибра, который ошибочно увеличивал дистанцию на 0,5 мили.

С находившихся вдали крейсеров «Норфолк» и «Саффолк» видели, что «Худ» стрелял по «Принцу Ойгену» хорошо, его третий залп лег накрытием. «Принс оф Уэльс» затянул пристрелку и добился накрытия только с шестого залпа. Имевший более скорострельные орудия «Принц Ойген» добился первого попадания и у грот-мачты «Худа» вспыхнул сильный пожар, который начал распространяться в нос, его языки поднялись высоко над верхней палубой. Источником этого пожара стали погреба боезапаса зенитной артиллерии, а также 9,5 т неуправляемых зенитных ракет, которые размещались в легких стальных ящиках.

В 5 ч 55 мин вице-адмирал Холланд приказал выполнить поворот 20° влево: это позволило бы обоим его линейным кораблям вести огонь всем бортом. Но, как только британские корабли начали выполнять маневр, вокруг линейного крейсера встали столбы воды. Вскоре картина стала ужасной — над «Худом» выросла огненная завеса, которую затем сменила огромная колонна дыма. Нос и корма корабля торчали из воды, он переломился в средней части, а затем исчез в волнах.

Попадание, после которого взорвались кормовые погреба боеприпаса, расположенные под шельтердеком и башнями, можно объяснить следующим образом. Вероятно, снаряд прошел под нижней кромкой бронированного пояса или пробил горизонтальное бронирование около башни — в этом районе оно состояло из верхней палубы толщиной 51 мм, главной палубы толщиной 76 мм и нижней палубы толщиной 51 мм. Бронирование этих палуб не соответствовало современным требованиям и официально признавалось, что на больших дистанциях оно пробивается снарядом, летящим с большой скоростью.

После этой катастрофы огонь обоих германских кораблей сосредоточился на «Принс оф Уэльс». Вокруг британского линкора каждые 15 спадали залпы 380-, 203- и 150-мм снарядов. В результате управление огнем стало весьма трудным делом. Один 380-мм снаряд попал в компасную площадку, убив и ранив всех находившихся поблизости, единственным уцелевшим стал командир корабля кэптен Лич. Еще один снаряд взорвался под постом управления огнем 133-мм орудий, уничтожив его, третий угодил в кран для подъема самолетов, вблизи которого находился приготовленный к старту самолет с полным бензобаком. Машина оказалась поврежденной и ее поспешили сбросить за борт. Четвертый снаряд главного калибра «Бисмарка» ударил в борт ниже броневого пояса (это несмотря на то, что он уходил вниз под ватерлинию гораздо глубже, чем на других линейных кораблях), затем прошел через несколько переборок и, наконец, остановился, не взорвавшись, в районе дизель-динамо. Два 203-мм снаряда попали в кормовую часть британского линкора (в корпус корабля поступило 500 т воды), еще один угодил в перегрузочное отделение 133-мм выстрелов, но, к счастью, не причинил особого ущерба и не взорвался.

Как будто этого было мало, появились новые проблемы: начали выходить из строя то одно, то другое орудие. Находившиеся на корабле рабочие, занимавшиеся доводкой башен главного калибра, прилагали нечеловеческие усилия, чтобы ввести их в действие, но в среднем залп британского линкора состоял не из пяти, а из трех снарядов.

«Бисмарк» казался неповрежденным, его огонь по-прежнему отличался точностью, поэтому кэптен Лич принял решение выйти из боя до подхода подкреплений. Этот маневр осуществлялся под прикрытием дымовой завесы. Во время поворота произошла авария в кормовой башне, но, несмотря на это, огонь продолжался, всего удалось произвести 18 залпов. По германским данным за это время «Бисмарк» получил три попадания. Одно из них пришлось в носовую часть ниже ватерлинии, образовавшуюся пробоину нельзя было заделать без остановки корабля. Кроме того, трубопровод в машинное отделение от носовой топливной цистерны оказался перебитым, появился дифферент на нос, скорость линейного корабля упала до 27—28 уз. Уменьшилась дальность плавания, поэтому от продолжения атлантического рейда пришлось отказаться, и у адмирала Тови выросли шансы на удачную охоту.

Этот весьма неудачный бой, завершившейся поражением номинально более сильной эскадры, стал следствием «Боевых инструкций Адмиралтейства», исходя из которых, бой предполагалось вести в тесном строю, подчиняясь сигналам флагмана. Это полностью сковало инициативу кэптена Лича. Также как в бою у Фольклендских островов, один корабль не мог принять участие в бою — на этот раз не из-за дыма, а из-за того, что слишком большая дистанция сокращалась на таком угле, что оба корабля могли вести огонь только из носовых орудий. Хотя напрашивался альтернативный вариант сближения — один корабль прикрывает второй, ведя огонь полными бортовыми залпами, или, если бы «Принс оф Уэльс» дали возможность вести бой на большой дистанции, то он мог бы получить преимущество, когда немцам бы пришлось менять цели.

«Принс оф Уэльс» присоединился к «Норфолку» и «Саффолку» и они продолжали преследовать вражескую эскадру. Противник шел на юго-запад, пытаясь оторваться от погони. Адмирал Тови в это время находился в 300 милях от германского линкора. В его соединение входили линкоры «Кинг Джордж V» и «Рипалс», авианосец «Викториэс», четыре крейсера и девять эсминцев. При благоприятных условиях он рассчитывал войти в контакт с вражеской эскадрой на следующий день, 25 мая, в 7 ч. К сожалению, корабли Тови были вынуждены уменьшить скорость. В 13 ч 20 мин «Саффолк» сообщил, что «Бисмарк» изменил курс на южный и сбавил ход примерно до 24 уз.

Тем временем Адмиралтейство предпринимало весьма решительные меры с целью гарантированно уничтожить германский линкор. Каждый корабль, могущий принять участие в охоте (всего 19 единиц), получил приказ идти в район боя: из Гибралтара — вышло соединение «Н» адмирала Соммервиля («Ринаун», «Арк Ройял» и «Шеффилд»); находившиеся в Атлантике — «Родней» и четыре эсминца, а также легкий крейсер «Эдинбург» («Edinburgh»); оставивший галифакский конвой — «Рэмиллес»; из Галифакса — «Ривендж». Океан прочесывали самолеты Берегового командования.