Однако это произошло. Немецкие корабли прошли Датский пролив вечером 23 мая, держась узкой полосы чистого моря, между кромкой плавучих льдов на севере и туманом и минными полями на юге. Все же не обнаруженный немцами тяжелый крейсер англичан «Суффолк», оборудованный новейшим радаром, установил местоположение противника и, искусно используя туман, пошел вслед за ним, передавая сообщения о его передвижении. Вице-адмирал Л.Э. Холланд, находившийся на борту «Худа» поворачивает эскадру на такой курс, чтобы встретиться с противником на рассвете. Немецкие корабли были обнаружены по правому борту в 5.35 утра, при хорошей видимости и спокойном море. «Худ» и «Принс оф Уэлс» дали полный ход и повернули в сторону противника, чтобы уменьшить расстояние между кораблями. В 5.52 утра обе стороны одновременно открыли огонь с расстояния в 22,5 км. Немецкие корабли сосредоточили огонь на «Худе» и почти сразу добились попаданий. «Худ» явно стрелял по тяжелому крейсеру «Принц Евгений», а «Принс оф Уэлс» по «Бисмарку». Через минуту сражения на верхней палубе «Худа» вспыхнул пожар. Через три минуты снаряд попал в «Бисмарк», а на пятой минуте залп «Бисмарка» настиг «Худ», и он взорвался со страшным грохотом. После этого немецкие корабли сосредоточили огонь на «Принс оф Уэлс». За короткое время он получил четыре прямых попадания снарядами калибра 38 см и три 20,3 см. Несмотря на то что два снаряда не взорвались, линкор получил значительные повреждения. «Принс оф Уэлс» смог выйти из боя. «Бисмарк», который сам получил два попадания, не стал его преследовать. Повреждения не повлияли на его боеспособность, но один снаряд попал в борт около носа и вызвал утечку горючего, оставлявшего широкий след позади линкора.
Адмирал Лютьенс продолжал идти дальше в Атлантику, сохраняя курс на юго-запад, а «Принс оф Уэлс» и крейсера продолжали следовать за ним. К югу от мыса Фарвель были развернуты семь английских подлодок, но вечером 24 мая, не доходя до их позиции, немецкий адмирал повернул свои корабли сначала на юг, а затем на юго-восток, поскольку запасы топлива быстро таяли. Тогда же он отпустил и тяжелый крейсер «Принц Евгений», который, пользуясь плохой видимостью, успешно ушел от преследования английских кораблей. Несмотря на штормовую погоду, восемь самолетов-торпедоносцев с английского авианосца «Викториес» ночью атаковали «Бисмарк». Они добились одного попадания, которое, однако, не вызвало никаких повреждений, возможно, потому, что торпеда шла на малой глубине и попала в броневой пояс.
Поздно ночью английские крейсера потеряли контакт с линкором, но адмирал Лютьенс, не зная этого, отправил длинную радиотелеграмму, по которой береговые британские пеленгаторные станции засекли его местоположение. Однако на флагманском корабле Тови эти результаты ошибочно расценили как намерение «Бисмарка» возвратиться в Норвегию. В результате в течение семи часов флот метрополии шел неправильным курсом. Тем временем Адмиралтейство приказало линкорам «Родней» и «Рэмиллис» оставить конвои, которые они охраняли, и включиться в поиски «Бисмарка». Из Гибралтара двигалось соединение Н, в составе линейного крейсера «Ринаун», авианосца «Арк Ройял» и тяжелого крейсера. Теперь немецкий линкор преследовала почти половина английского флота.
Через 31 час, около полудня 26 мая, когда «Бисмарк» находился в 700 милях к западу от Бреста, он был обнаружен самолетом противника. За исключением соединения Н, ни один из преследовавших его кораблей не был в состоянии перехватить линкор по дороге во французский порт; а «Ринаун», имеющий только шесть 15-дюймовых орудий и слабую броню, не мог противостоять «Бисмарку». Единственным способом уменьшить скорость немецкого корабля были удары с воздуха. Крейсер «Шеффилд» определил местоположение «Бисмарка» и по радио навел на него самолеты с авианосца «Арк Ройял». Погода портилась, поэтому самолеты вначале с трудом смогли взлететь, а затем по ошибке атаковали «Шеффилд», о присутствии которого летчиков не предупредили. Вторая атака, уже в сумерках, пришлась по «Бисмарку». Торпедоносцы добились двух попаданий, одно из которых заклинило в крайнем положении руль линкора. В условиях пришедшего с запада шторма корабль оказался неспособен держать курс, его, несмотря на все усилия управляться с помощью машин, все время разворачивало в открытое море. В течение нескольких часов линкор подвергался атакам превосходящих сил противника и, получив множество попаданий снарядов и несколько торпед, затонул утром 27 мая приблизительно в 400 милях к юго-юго-западу от Бреста. Машины линкора продолжали бесперебойно работать до конца сражения. Из экипажа спаслось только несколько человек, часть из них спасли подводные лодки. Одна из них, «U-556» (капитан-лейтенант Герберт Вольфарт), накануне вечером оказалась в превосходном положении для атаки «Ринауна» или «Арк Ройяла», но уже до этого израсходовала все торпеды. Эта лодка оказалась свидетельницей последнего боя. Из-за штормовой погоды другие подводные лодки не сумели подойти к месту боя, а авиация не могла прийти на помощь, поскольку «Бисмарк» находился слишком далеко от берега.