Предельная дальность стрельбы британских 305-мм орудий составляла 15000-15500 м (81-84 каб.), дистанция действительного огня 11000-13000 м (59-70 каб.). На обоих германских крейсерах 210-мм орудия имели предельную дальность 15000 м (81 каб.), 150-мм казематные орудия 13750 м (74 каб.). Немцы на всех дистанциях были уязвимы для 305-мм орудий англичан, британские же линейные крейсера имели броню, непробиваемую для 210-мм снарядов на дистанции 13000 м (70 каб.), а на меньшей и для 150-мм орудий.
Уже в 13 ч.45 м. с третьего залпа “Инвинсибл" получил несколько попаданий 210-мм снарядами и, чтобы сбить пристрелку, отвернул на два румба влево для увеличения дистанции. В 14 ч.10 м. “Шарнхорст” прекратил стрельбу,так как “Инвинсибл” вышел из зоны досягаемости его орудий. Стерди решил не сближаться немедленно на дистанцию решительного боя, на которой расход боеприпасов был бы наименьшим и которая обеспечила бы ему быструю победу. Причинами было желание избежать хотя бы малейшего повреждения своих линейных крейсеров и высокая выучка германских комендоров. В бою на предельной дистанции риск получить повреждения для его кораблей отсутствовал вовсе, зато расход боеприпасов почти наверняка должен был быть огромным.
В первой фазе боя стрельба англичан оказалась исключительно плохой. “Шарнхорст” и "Гнейзенау” получили только по два попадания, и ни один из них не был серьезно поврежден. Разрушительная сила британских 305- мм снарядов оказалась гораздо меньше, чем можно было ожидать. Примерно через полчаса англичане снова пошли на сближение. Когда в 14 ч.48 м. дистанция между ними снова уменьшилась до 15200 м (82 каб.), британский флагман вновь открыл огонь по “Шарнхорсту”, ас 15 ч. 15 м. в течение пяти минут обстреливал "Гнейзенау”, когда немецкие корабли поменялись местами. Германские корабли получили значительные повреждения, но продолжали упорно сопротивляться.
Бой сделался жарким, дистанция уменьшилась до 11000 м (59 каб.), и Стерди не допускал дальнейшего уменьшения дистанции, чтобы не дать немцам возможности действенным образом использовать 150-мм орудия. Стрельба англичан была бы точнее, если бы Стерди не держал “Инфлексибл” в густом дыму флагманского корабля. Оба британских линейных крейсера в период преследования крейсеров адмирала Шпее сжигали в топках нефть с углем. При этом густой черный дым из дымовых труб “Инвинсибла” мешал вести огонь артиллерии своей и “Инфлексибла”, и они впустую тратили свои ценные снаряды.
Во время боя частота вращения гребных винтов “Инвинсибла” достигала в среднем 298 об./мин. и в один период достигла 308 об./мин. Его осадка составляла 8,53 м носом и 9,14 м кормой, и, поскольку днище крейсера очистили в доке перед выходом из Англии, он мог легко развивать 26 уз.
Около 16 ч.00 м. стало ясно, что “Шарнхорсту” приходит конец. Он сильно осел, его корму охватило пламя. Тем не менее на нем развевался германский флаг, и корабль продолжал энергично стрелять уцелевшей артиллерией. Уцелела только одна из четырех труб “Шарнхорста”, он имел большой и все возрастающий крен на правый борт. В 16 ч. 10 м., дав последний залп из носовой башни, он стал медленно опрокидываться, около 7 минут пролежал на борту с вращающимися винтами и наконец в 16 ч.17 м. скрылся под водой носом вперед, унося на дно командующего германской эскадрой адмирала фон Шпее и весь экипаж броненосного крейсера в количестве 860 человек. Координаты места гибели броненосного крейсера 52°40'ю.ш., 55°5Гз.д. Так как бой продолжался, британские крейсера не смогли оказать помощь команде “Шарнхорста”. Не спасся никто, поскольку вода в это время года была очень холодная, а противники стремились в первую очередь уничтожить друг друга, а уже потом заняться спасением людей.
В свою очередь “Инфлексибл” подавил стрельбу “Гнейзенау”, когда тот был весь в огне от носа до кормы. Теперь англичане вели спокойную размеренную стрельбу, напоминающую прицельный огонь по мишени.
В 17 ч.20 м. “Гнейзенау”, имея большие повреждения, без передней трубы, но с развевающимся флагом развернулся навстречу англичанам и в 17 ч.25 м. выпустил торпеду. В 17 ч.30 м. “Гнейзенау” еще держался на воде в виде разбитого остова, все орудия, кроме одного, выведены из строя, на палубе бушевали пожары. Затем корабль внезапно остановился, имея сильный крен на правый борт. Он добился еще одного попадания в “Инвинсибл” и в 18 ч.02 м. также опрокинулся на правый борт и затонул. С потопленного “Гнейзенау” шлюпками на “Инвинсибл" из ледяной воды, охлаждаемой айсбергами. подняли 7 офицеров и 101 матроса из общего числа 187 спасенных. Из экипажа “Гнейзенау” 598 человек погибло. Координаты места гибели крейсера 52°46'ю.ш., 56°04'з.д.
