這時，日軍艦隻和運輸船密密麻麻地排在海峽兩邊，盟國軍艦被圍困在日艦船中央。驅逐艦“司徒華”號首先發射魚雷，“帕羅特”號也猛烈開火。盡管盟國軍艦連連發射魚雷，艦炮與機關槍同時開火，致使日艦周圍水柱四起，但日艦還擊的炮火也同樣沒有停止。盟軍旗艦“司徒華”號被一顆8英寸的炮彈擊中舷倉，被另一顆6英寸的炮彈炸掉了前麵的一艘救生艇，還炸傷了領航員。“帕羅特”號的舵機在此關鍵時刻發生了故障。巴厘海麵到處都在進行著廝殺，連擔任掩護的盟國軍艦“特羅姆普”號也趕來向日艦開炮，不料該艦的舵倉被一發炮彈擊中，受到重創。麵對優勢的日本艦隊，賓福中校下令艦隊往北方撤退，戰場就交給了準備第三波進攻的魚雷快艇。但實際上，以6艘荷蘭魚雷快艇組成的第三波攻擊並無所獲。
旗艦“司徒華”號在返回基地後傾覆，“皮德·海英”號沉沒，“特羅姆普”號遭重創，多艘艦隻負傷。對於盟軍來說，這次主動發起的夜襲戰得不償失。雖然盟國軍艦擊傷了幾艘日本艦船，但自己的損失更大。此次巴厘海戰，盟軍失敗的主要原因是犯了兵力分散的用兵大忌。隨著巴厘島的失守，爪哇島的危險日益加深。
3.爪哇島失陷，一麵倒的戰局
1942年2月19日，金村支隊（以第48師團的步兵一個大隊為基幹）幾乎沒有遇到任何抵抗，就登上了爪哇東麵的巴厘島。再往東1100公裏處，東方支隊正在帝汶島建立灘頭堡。日軍的行動不但孤立了爪哇島，而且切斷了荷屬東印度群島和澳大利亞的聯係。
同一天，停泊在帝汶島附近海麵的聯合艦隊第1航空艦隊，對600公裏外的澳大利亞北部城市達爾文港發動了一次毀滅性的空中打擊。189架日機從4艘航空母艦上起飛，在淵田美津雄中佐的率領下，炸沉了停泊在達爾文港內的1艘英國驅逐艦、4艘美國運輸艦、1艘英國油輪和4艘澳大利亞貨輪，擊毀23架盟國飛機。238名澳大利亞人被炸死，300多名被炸傷，日軍方麵僅損失了5名飛行員。
山本五十六大將受到南雲忠一機動部隊成功轟炸達爾文港的鼓舞，建議派出一支遠征部隊在沒有設防的澳大利亞北岸登陸。橫掃馬來半島、占領新加坡而享有“馬來之虎”之稱的山下奉文中將支持山本的意見，並且自告奮勇，表示願意親率部隊打頭陣。但是，東條英機首相和參謀本部的大多數資深軍官都反對這一設想。他們認為，在澳大利亞荒原中，日軍必須完全依賴後勤供應，而日本的商船隊的負荷已經到了無法複加的地步。一旦美國將B—17轟炸機大量送到澳大利亞，日軍就很難保持空中優勢。一番討論過後，山本五十六的設想被放棄了，山下奉文則因與東條在軍內屬於對立的派別而被派到中國東北，擔任“滿洲”第1方麵軍司令官。
2月25日，西南太平洋盟軍司令韋維爾鑒於爪哇島已難防守，便撤到了錫蘭（斯裏蘭卡）。
韋維爾撤消了他的指揮部，並將他的總部撤到印度，大部分英軍和部分美軍隨他一同撤退。荷蘭人留下來繼續戰鬥。荷蘭海軍中將康拉德·赫爾弗裏希奉命接替哈特上將，指揮盟國海軍艦隊。
與此同時，一個由56艘運輸船隻和警戒艦隻組成的日軍登陸輸送隊在爪哇島西北方待機而動，另一個由41艘運輸船和巡洋艦、驅逐艦等組成的日軍登陸輸送隊在東北方待機而動。
27日，多爾曼少將奉赫爾弗裏希司令的命令，從泗水出發，前去截擊東北方的日軍船隊，奪取爪哇外圍島嶼後，日軍從東西兩麵向爪哇島發動進攻。盟國海軍奉命組織截擊，在爪哇島附近與日本海軍展開激戰。
2月22日這天，準備在泗水登陸的日軍第48師團搭乘在41艘船上，由水雷戰隊和驅逐艦隊護航下，從巴厘巴板出發，殺氣騰騰地沿爪哇海麵南下，一場決定盟軍能否在南洋群島一帶安身立命的泗水海戰處在一觸即發之際。
26日晨，日軍的這支護航船隊於在婆羅洲東南端的勞特島南部與第5戰隊和第2水雷戰隊彙合，然後駛抵泗水西北約60海裏海域。日軍第48師是一支戰鬥力很強的部隊，在開戰以來可謂出盡了風頭。該師於1940年12月以華南的台灣混成旅和步兵第47團為基幹組建而成，最初在中國華南作戰。後移師台灣的高雄，準備用於馬來作戰，後來改為菲律賓方向作戰。師主力於12月22日在林加延灣登陸，輕而易舉地進占菲律賓首府馬尼拉，現在又被調來攻打爪哇島。
幾個夜晚，多爾曼一直率領其艦隊在爪哇和馬都拉的北海岸附近巡航，以防日軍突然登陸。起初的巡航中沒發現日本艦隊，盟軍便於26日下午返回泗水港補充燃料，剛進港便接到發現日軍船艦的報告。第二次捕捉日艦的行動馬上開始，可是，這次又沒發現日本艦隊的蹤影。27日下午，多爾曼率艦隊返回泗水，剛剛拋下錨，突然又接到急電：“在馬威安島之西20海裏處，發現日本巡洋艦2艘，驅逐艦6艘，運輸艦25艘，在島西北方65海裏處，另有日本驅逐艦及運輸艦數艘，該船團後方尚有日本巡洋艦1艘。”多爾曼便立刻準備出擊。