Как только Стэрди доложили о приближении к Порт-Стэнли двух вражеских крейсеров, он тут же отдал приказ прекратить погрузку угля, приготовиться к бою и поднять якоря. В начале 11-го часа оба линейных крейсера уже вышли из гавани. Видимость была изумительной; море спокойное и ослепительно голубое; дул легкий северо-западный ветер. В 10.20 на флагмане подняли сигнал «общей погони». Английским линейным крейсерам потребовалось некоторое время, прежде чем они смогли развить свой ход до полного и сблизиться с немецкими кораблями на дистанцию артиллерийского огня. Около 13.00 рявкнули двенадцатидюймовки «Инвинсибла». С расстояния 14,5 км он выпустил несколько снарядов по «Лейпцигу», замыкавшему германскую кильватерную колонну. После этого фон Шпее отдал приказ своим легким крейсерам рассредоточиться и уходить. «Нюрнберг», «Лейпциг» и «Дрезден» повернули на запад и дали полный ход. Английские легкие крейсера «Кент», «Корнуэлл» немедленно пустились за ними в погоню. С этого момента сражение распалось на несколько очагов.
Германский адмирал решил дать бой только своими броненосными крейсерами. Поскольку «Шарнхорст» и «Гнейзенау» не могли развить более 18 узлов, избежать сражения было невозможно. Стэрди не стал немедленно сближаться на дистанцию решительного боя, на которой расход боеприпасов был бы наименьшим и которая обеспечила бы ему быструю победу. Он знал о высокой артиллерийской репутации двух своих противников и хотел избежать даже малейших повреждений своих линейных крейсеров. В бою на предельной дистанции риск для кораблей Стэрди отсутствовал вовсе, но зато расход снарядов почти наверняка должен был быть огромным.
Сначала «Инвинсибл» стрелял по «Гнейзенау», а «Инфлексибл» — по «Шарнхорсту», поменявшись целями, когда германские корабли изменили свое расположение. Комендоры «Шарнхорста» с третьего залпа попали в «Инвинсибл». Когда дистанция уменьшилась до 11 км, немцы ввели в дело и 152-мм орудия. Стэрди увеличил дистанцию до 14 км, а затем вышел за пределы артиллерийского огня. Около 14.00 обе стороны прекратили стрельбу. Фон Шпее в последний раз попытался спасти свои корабли: он круто повернул на юг, направляясь в воды, где можно было ожидать туманов, шквалов и пасмурной погоды. 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 английских 305- мм снарядов оказалась гораздо меньше, чем можно было ожидать.
Примерно через час англичане снова пошли на сближение и возобновили стрельбу. Бой сделался жарким, дистанция вновь уменьшилась до 11 км. «Гнейзенау», который в начальный период боя потерял только 1 убитого и 10 раненых, теперь жестоко страдал. Весь его корпус вздрагивал от ударов тяжелых снарядов, в нескольких местах одновременно полыхали пожары. Вскоре стал явственно заметен крен на левый борт. «Шарнхорст» также страдал от огня. Огромные водяные столбы от падавших в воду 305-мм снарядов заливали пробоины в бортах германских крейсеров, не давая пожарам полностью охватить их. Стрельба англичан была бы точнее, если бы Стэрди не держал «Инфлексибл» в густом дыму флагманского корабля.
В начале 4-го стало ясно, что «Шарнхорсту» приходит конец: он сильно осел, на верхней палубе бушевало пламя. Тем не менее на нем развевался германский флаг, и он продолжал энергично стрелять уцелевшей артиллерией. Англичане были поражены стойкостью немцев, регулярностью и быстротой залпов. В 16.00 Шпее в пылу боя успел просигналить Меркеру, что последний был прав, высказавшись против нападения на Фолклендские острова, и приказал «Гнейзенау» уходить, если он сможет. После этого адмирал повернул свой флагманский корабль и пошел на англичан. Уцелела только одна из четырех труб «Шарнхорста», он имел большой и все возрастающий крен на правый борт, его корма была охвачена пламенем. В 16.04, дав последний залп из носовой башни, он стал медленно переворачиваться, короткий промежуток времени пролежал на борту с вращающимися винтами и наконец скрылся под водой носом вперед.
Так как бой продолжался, британские крейсера не могли оказать помощь команде «Шарнхорста». К тому же вода была настолько холодна, что едва ли немецким морякам можно было чем-нибудь помочь, даже если бы рядом не было «Гнейзенау». Таков закон морской войны — сначала уничтожить противника и только после этого спасать людей. Конец «Гнейзенау» был не менее трагичен. Англичане уже вели спокойную размеренную стрельбу, напоминавшую прицельный огонь по мишеням. Вскоре одним из попаданий был поврежден рулевой привод, и «Гнейзенау» начал описывать циркуляции. Его сопротивляемость ужасающему огню была поразительна. Особенно надо отметить, что ни на одном из германских крейсеров не произошло взрыва боеприпасов, какие случились на кораблях Крэдока. Около 17.30 он еще держался на воде в виде разбитого остова, большая часть его кочегарок была затоплена, все пушки, кроме одной, приведены в негодность, боезапас почти иссяк, на палубе бушевали пожары. Около 600 человек из команды «Гнейзенау» были убиты.
Англичане прекратили огонь и начали подходить к «Гнейзенау» медленно и осторожно, поскольку на нем все еще развевался германский военный флаг. В 17.40 оставшиеся в живых собрались на груде железного лома — все что осталось от надстроек и палубы германского крейсера. В тишине, наступившей после грохотов боя, прозвучало троекратное «ура,» и корпус «Гнейзенау» стал опрокидываться на правый борт. Меркер отдал приказ открыть кингстоны и потопить корабль. «Гнейзенау» еще некоторое время лежал вверх килем, а затем исчез, погружаясь кормой вперед.
Хотя в южном полушарии стояло лето, вода в этом районе Атлантики сильно охлаждается айсбергами и холодными течениями, идущими от Антарктиды. Ее температура не превышала 6 градусов выше нуля. Из команды «Гнейзенау» не спасся ни один человек. Общие потери германской эскадры составили 2000 матросов и офицеров. В числе погибших были фон Шпее и один из его сыновей (другой погиб на «Нюрнберге») и оба командира германских броненосных крейсеров. Незадолго перед тем как «Гнейзенау» начал тонуть, погода изменилась — пошел мелкий дождь. Если бы он начался двумя-тремя часами раньше, возможно, германским крейсерам удалось бы ускользнуть. Данный факт показывает опасность промедления решительного удара, которое допустил английский адмирал. Как известно, Стэрди, начав погоню рано утром, в 11.00 отдал приказ замедлить ход и команде приступить к завтраку.
Что касается легких крейсеров, то англичане после погони, длившейся несколько часов, настигли и потопили «Лейпциг» и «Нюрнберг». «Дрездену» удалось ускользнуть. В конце концов он был застигнут двумя английскими крейсерами в уединенной бухте чилийского побережья и уничтожен. Но случилось это только 14 марта 1915 г. Легкий крейсер «Бристоль» и вооруженный пароход «Македония» получили приказ от Стэрди потопить транспорты, сопровождавшие эскадру фон Шпее. Английские корабли довольно быстро обнаружили два германских вспомогательных судна — «Баден» и «Санта-Изабель» — с грузом нефти, угля и различных припасов. Все это отлично пригодилось бы Стэрди, но старший из британских командиров ничего не доложил флагману и бездумно выполнил приказ, пустив ко дну оба этих ценных приза. Так неудачно кончился день, отмеченный крупным успехом англичан.
