В 11.26 Стэрди приказал Бристолю и вспомогательному крейсеру Македония уничтожить транспорты, которые Шпее отделил от эскадры.
Британская эскадра преследовала противника сначала на параллельных, а с 11.30 на постепенно сходящихся курсах. Уже к полудню во главе эскадры оказались линейные крейсера.
В 12.20, не имея возможности дольше дожидаться тихоходного Карнарвона, отставшего на 6 миль, адмирал приказал увеличить ход до 22 уз, а в 12.50 линейные крейсера вновь увеличили скорость хода до 25 уз. Стэрди семафором приказал Инфлексиблу держаться от Инвинсибла в расстояни 1000 м (5 кбт.).
В 12.55 Инвинсибл поднял сигнал Открыть огонь.
Английская эскадра имела подавляющее превосходство в артиллерии и, что очень важно, превосходила крейсера противника и в скорости хода минимум на 3-4 уз, поэтому бой был неизбежен. Инвинсибл и Инфлексибл в первую очередь старались навязать бой Шарнхорсту и Гнейзенау. Сам Шпее, видя, что об уклонении от боя не может быть и речи, решил принять бой своими большими крейсерами.
Эскадра Шпее растянулась. Замыкающий германскую кильватерную колонну Лейпциг отстал на 2800 м (15 кбт.). Первый выстрел в этот день в 12.58 дал по этому кораблю Инфлексибл с дистанции 14500 м (78 кбт.) из передней 305-мм башни. Выбор цели на Инфлексибле был произведен не по сигналу флагмана, а по приказанию командира корабля после его переговоров со старшим артиллеристом коммандером Вернером. Первый залп упал с недолетом, второй также, и старший артиллерист дал дробь и доложил, что противник находится вне обстрела. Спустя две минуты первый и тоже недолетный залп по Лейпцигу выпустил Инвинсибл. Вместе они выпустили по нему около 20 снарядов, и вскоре начались накрытия. К 13.15 Лейпциг закрыли водяные столбы падающих вблизи снарядов, он не выдержал и в 13.20 отвернул вправо курсом S.
В 13.20 Шпее сигналом отдал германскими лёгкими крейсерам приказ: Рассыпаться и уходить по способности. Получив приказ рассредоточиться, Дрезден и Нюрнберг в 13.25 также отвернули на S и SW и стали уходить. Следуя сигналу Стэрди, Карнарвон, Кент и Глазго бросились за ними в погоню.
Флагманский Шарнхорст на несколько минут вступил концевым, затем они снова поменялсь местами. В 13.26-13.32 они оба повернули влево, изменив курс с SO на ONO, желая, по-видимому, отвлечь англичан от своих лёгких крейсеров и с тем, чтобы
дым из его труб не мешал комендорам. Линейные крейсера и Карнарвон, вытянувшись в кильватерную колонну, в 13.28-13.32 также повернули влево и легли на курс ONO, параллельный курсу германских крейсеров.
После двухчасовой погони в 13.20 Инвинсибл, наконец, начал пристрелку и открыл артиллерийский огонь с дистанции 14500 м (78 кбт.) по Шарнхорсту. В 13.25 Шарнхорст и Гнейзенау, с л/б, в свою очередь, открыли ответный огонь по британским линейным крейсерам.
В 13.30 начался решаюший бой. Предельная дальность стрельбы британских 305-мм орудий составляла 15000-15500 м (81-84 кбт.), дистанция действительного огня 11000-13000 м (59-70 кбт.). На обоих германских крейсерах носовые и кормовые башни (по два 210-мм орудия в каждой) имели предельную дальность 16300 м (88 кбт.), а по два 210-мм казематных орудия с каждого борта 12400 м (67 кбт.); 150-мм казематные орудия 13700 м (74 кбт.). 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 кбт.), а на меньшей и для 150-мм орудий.
В дальнейшем Инфлексибл стрелял, в основном, по Гнейзенау, но некоторое время в начале боя и по Шарнхорсту, когда крейсера противника поменялись местами. Первое время артиллерийский огонь Инфлексибла был недействителен из-за значительной дистанции -12700-11000-14800 м (68-59-80 кбт.) и большого числа незначительных изменений курса. Большое облако дыма от впереди идущего флагмана затрудняло наводку и наблюдение за падением снарядов. Недолеты нельзя было сосчитать, попадания и перелеты трудно было видеть. Стало ясно, что на большой дистанции требуется время, чтобы уничтожить корабли противника.
Когда дистанция уменьшилась до 11000 м (59 кбт.), немцы ввели в действие 150-мм орудия и неприятельские снаряды стали ложившиеся очень кучно. Уже в 13.44 артиллеристы Шарнхорста с третьего залпа накрыли флагманский Инвинсибл, получивший первое попадание 210-мм снарядом, но без особых повреждений.
Чтобы сбить пристрелку, в 13.44 Стэрди отвернул на два румба (20°) влево для увеличения дистанции сначала до 14500 м (78 кбт.), а в 13.54 вообще вышел за пределы дальности ведения огня. Но уже в 13.57 англичане легли на прежний курс, а с 14.05 стали уменьшать расстояние, склоняясь на SO.
За час боя к 14.00 орудия Инфлексибла сделали около 150 выстрелов, но в Гнейзенау были заметны только три попадания. Первый снаряд в 13.15 попал в заднюю часть третьей дымовой трубы и взорвался. Осколки в нескольких местах пробили верхнюю батарейную палубы, прошли в казематы 210-мм и 150-мм орудий. В результате среди состава орудийных расчетов были потери и легко повреждено одно орудие. В 13.20 второй снаряд попал в среднюю палубу вблизи заднего бронированного поста. Осколки повредили дальномер на его крыше, изрешетили два расположенных вблизи катера, во многих местах пробили палубу, проникли в офицерские каюты и кают-компанию гардемарин у кормовой батареи л/б. В этих помещениях осколки причинили большие повреждениия, но пожара не возникло. Дверь кормовой батареи л/б сорвало с петель. В 13.22 осколки разорвавшегося в воде третьего снаряда пробили бортовую обшивку над ватерлинией и изрешетили офицерские каюты, часть из них пробила борт ниже ватерлинии в районе погреба боеприпасов 12. Погреб пришлось оставить, задраив дверь. Гнейзенау энергично отвечал. Но его огонь, быстрый и точный по направлению, страдал по дальности.