Понимая, что избежать столкновения с неприятелем не удастся, герцог поднял на фок-мачте королевский штандарт — это был сигнал всем командирам готовиться к сражению.

В некоторых английских документах сообщается, что корабли армады выстроились полумесяцем, но официальные отчеты не подтверждают этого. По данным итальянца Филиппо Пигафетты, на которые опирались С. Фернандес Дуро и Дж. Корбетт, впереди армады, в двух милях от нее, шел заслон из легких фелук и парусно-гребных фрегатов. Основное соединение состояло из четырех дивизионов. Впереди находился авангард, в который входило 12 больших кораблей, построенных в три линии. В первой линии шли четыре самых крупных корабля левантийской эскадры с «Рата Санта-Мария Энкоронада» Алонсо де Лейвы на правом фланге и капитаной «Рагаццона» — на левом. Вторая линия состояла из четырех галеасов, а третья — из четырех португальских галеонов, включая флагман «Сан-Мартин». Интервал между линиями равнялся пятидесяти шагам, а между кораблями — площади, которую можно было занять двумя судами. Преимущество такого расположения, согласно Пигафетте, заключалось в том, что первая линия могла атаковать противника самостоятельно, поддерживаемая двумя задними линиями. При необходимости корабли второй и третьей линий могли занять свободные места в первой линии, тем самым значительно усилив ее.

Нахождение флагмана в третьей линии позволяло герцогу лучше видеть и контролировать перемещения кораблей трех дивизионов, остававшихся у него в тылу. В полумиле от авангарда располагался основной ударный дивизион. Он включал 30 судов, построенных в три линии. В первой находилось 18 кораблей, между которыми тоже оставалось пространство еще для двух судов. В центре размещался португальский галеон «Сан-Матео», справа — капитана Мартина де Бертендоны, адмирала левантийцев, а слева — португальский галеон «Сан-Луис». Во второй линии находились четыре галеры Диего Медрано, а в третьей — восемь больших галеонов под командованием Педро де Вальдеса.

В арьергарде дивизиона шли 20 вооруженных каравелл. На флангах, на расстоянии трехсот шагов от ударного дивизиона, находились еще два дивизиона, составлявших «крылья» армады. Каждый из этих дивизионов включал в себя два субдивизиона с собственным сопровождением. Первый субдивизион насчитывал 15 кораблей, интервал между которыми равнялся сорока шагам. В ста шагах от его центра двигался арьергард, построенный в три линии: в первой находились семь пинасов, во второй — шесть урок, в третьей — четыре пинаса. В ста шагах от первого субдивизиона двигался второй субдивизион, насчитывавший 13 судов; в его центре располагался флагманский галеон великого герцога Тосканского. За ним следовали пять пинасов сопровождения.

Подобное расположение кораблей армады, по мнению Пигафетты, скорее напоминало «орла», чем «полумесяц». Но с появлением английского флота это расположение наверняка подверглось изменениям. Один из испанских очевидцев писал: «Наш флот был разделен на три корпуса». Очевидно, главный дивизион во главе с герцогом Медина-Сидония и Диего де Вальдесом выдвинулся вперед, а два дивизиона на флангах сместились назад. Со стороны такое расположение действительно можно было принять за «полумесяц», хотя наличие разрывов между дивизионами позволяло каждому из них действовать автономно, в зависимости от изменения ситуации.

Рекальде, как вице-адмирал армады, шел на галеоне «Сан-Хуан» в арьергарде, расположившись на левом фланге. Рядом с ним держался со своей эскадрой Педро де Вальдес. Правое крыло арьергарда возглавлял Алонсо де Лейва. Окендо и Бертендона со своими кораблями держались возле него.

Авангард испанского главнокомандующего, стараясь идти ближе к английскому побережью, двигался в крутой бейдевинд в направлении Плимута. Создавалось впечатление, что армада собирается атаковать этот город, хотя скорее всего Медина-Сидония намеревался лишь заблокировать порт, откуда, по его расчетам, могла выйти еще одна вражеская эскадра.

Тем временем корабли английского флота выстроились в линию. Их главными козырями были маневренность и преимущество в артиллерии. В три часа пополудни передовой отряд англичан открыл огонь по арьергарду неприятеля с дальней дистанции. Сначала бортовой залп осуществил один корабль, затем второй, третий… Лондонская газета «Английский Меркурий» в номере от 23 июля 1588 года писала: «Граф Камберленд на „Дифайенсе“ первым открыл огонь. Милорд Хоуард следом за этим почти три часа сражался с доном Алонсо де Лейвой… и тот, несомненно, был бы разбит, если бы на помощь ему не пришел Уго де Монкада. В то же время сэр Фрэнсис Дрейк и два контр-адмирала, Хокинс и Фробишер, смело прошли мимо замыкающих кораблей, которыми командовал вице-адмирал Рекальде, вынудив его отступить в весьма побитом состоянии к главному корпусу их флота, возглавляемому самим герцогом Мединой».

В самом начале сражения испанский строй, несомненно, был нарушен, многие капитаны арьергарда бросились под защиту главного дивизиона. Галеон «Сан-Хуан» вице-адмирала Рекальде стал поворачивать на ветер; Диего де Пиментель на «Грангрине» последовал за ним, но был перехвачен англичанами и окружен. Корабли Дрейка, Хокинса, Фробишера и несколько других судов обрушили на «Сан-Хуан» огонь из пушек и мушкетов, повредив ему такелаж и грот-мачту. Корабль Педро де Вальдеса тоже вступил в бой, но вел огонь с дальней дистанции.

Видя, в какую беду попал его вице-адмирал, Медина-Сидония вынужден был сменить курс и повернуть «Сан-Мартин» в наветренную сторону. Еще один галеон, «Сан-Матео», также предпринял попытку прийти на помощь Рекальде, однако попал под интенсивный обстрел английского флота. Когда в сражение вступил «Сан-Мартин», его атаковали сразу три корабля, включая два королевских галеона. Таким образом, в баталию постепенно были втянуты не только арьергард армады, но и значительная часть ее ударного дивизиона.

В создавшейся ситуации лорд Хоуард, имевший в своем распоряжении лишь две трети флота, поднял на мачте сигнал прекратить сражение. «Я счел разумным дождаться подхода сорока судов, оставшихся в Плимуте, прежде чем навязать [противнику] генеральное сражение», — написал он Уолсингему.

Дрейк, подводя итоги первого столкновения с кораблями армады, 21 июля писал лорду Генри Сеймуру: «…Испанская армада появилась у наших берегов 20-го, а 21-го мы преследовали их; и, когда мы сошлись с ними, произошел обмен артиллерийскими залпами между некоторыми судами нашего флота и их; насколько мы поняли, они [испанцы] полны решимости отдать свои жизни, сражаясь».

Когда армада оказалась в подветренной стороне от входа в Плимутскую гавань, непосредственная угроза испанского нападения на город миновала. Английский флот продолжал держаться примерно в полулиге от испанского арьергарда. Неожиданно самый крупный корабль эскадры Гипускоа «Сан-Сальвадор», на котором находился генеральный казначей армады Хуан де ла Уэрта, взлетел на воздух. Две верхние палубы в его кормовой части были разворочены взрывом, руль разбит. При взрыве пострадали не меньше двухсот человек, еще полсотни солдат и матросов утонули. Объятый пламенем и дымом, «Сан-Сальвадор» выпал из общего строя, и его стало относить в сторону от других кораблей. Итальянец Петруччио Убальдини в своем «Описании случившегося» позже утверждал, что взрыв крюйт-камеры осуществил фламандский пушкарь в отместку за оскорбление, которое нанес его жене капитан пехотинцев Приего. Казначей Педро Коко Кальдерон, находившийся на борту взорвавшегося корабля, позже писал, что подрыв осуществил один из канониров в отместку за то, что пехотный капитан избил его.