美國重巡洋艦“休斯敦”號和輕巡洋艦“佩思”號從泗水戰場逃脫，於清晨7時抵達爪哇島西部的丹戎不碌海軍基地，企圖穿過爪哇島和蘇門答臘島的海峽駛往爪哇島南岸的芝拉紮。當它們距離巽他海峽北口不到48公裏的時候，接到情報說：日軍第16集團軍主力部隊2月18日搭乘50餘艘運輸船從金蘭灣出發，將於2月28日夜在爪哇島雅加達灣登陸。於是，他們決定潛入雅加達灣，對日軍實施夜襲。
盟軍飛機淩空投放照明彈，日艦形跡暴露無遺，立即成了盟軍艦炮射擊的活靶子。日本運輸船隊冷不防遭到“休斯敦”號和“佩思”號的攻擊，秩序大亂。在此危急之際，日驅逐艦隊趕來馳援。盟國軍艦漸趨劣勢，“休斯敦”號和“佩思”號被包圍了起來。在驅逐艦的探照燈光的照射下，日軍重巡洋艦先將火力集中於“佩思”號，該艦的水兵食堂、艦首輪機艙、艦舷吃水線附近都遭到炮擊，在連續中了4枚魚雷後終於沉沒。
在“佩思”號被擊中的同時，“休斯敦”號也被203毫米炮彈擊中。“休斯敦”號先是被8英寸口徑的炮彈擊中，接著又中魚雷1枚，艦首主炮塔被擊毀，不久又有2枚魚雷擊中它的中部，引起彈藥庫爆炸。午夜過後，“休斯敦”號向右傾覆，最終沉入海底。
這場殘酷戰鬥中讓人感到諷刺的是，日軍的驅逐艦在混戰中竟然還擊中了自己人。日軍“三限”號重巡洋艦發射的8枚魚雷，穿過“休斯敦”號的艦底，直接衝入日軍的運輸船隊中，炸毀了4艘運輸船，其中包括在這裏指揮戰鬥的集團軍司令官今村均所乘的“龍城”號。今村均中將也不得不跳入海裏，和副官各抱一塊木板在水中掙紮，3個小時後才被驅逐艦救起。
荷蘭驅逐艦“埃弗森”號那天晚上從丹戎不碌港起航太晚，未能趕上2艘巡洋艦，因而沒有在海戰戰場上被擊傷或擊沉。但第二天黎明時分，它還是被日艦擊傷後被俘。
雅加達海戰是爪哇海麵進行的最後一場海戰。這場海戰盟軍不僅沒有阻止日軍從海上登陸，反而使殘存的盟軍艦隊再次損兵折將。
2月28日拂曉，美英荷澳聯合海軍司令部作出決定：凡剩餘艦隻，火速經龍目海峽、巽他海峽向外突圍。
於是，美國驅逐艦“愛德華”、“奧爾登”、“福特”、“保羅·瓊斯”號，於28日出港東行，計劃經由巴厘海峽南撤。日軍為了阻止盟軍撤離，並防止美太平洋艦隊前來增援，日軍大本營指令南雲忠一率領機動部隊和近藤信竹率領南方部隊主力繞到爪哇島以南海域活動。3月1日淩晨，4艘美國驅逐艦在巴厘島與3艘日本驅逐艦遭遇，進行短促炮戰後繼續前進，於3月4日安全的抵達了澳大利亞的弗裏曼特爾。
英國巡洋艦“埃克塞特”號因曾在泗水海戰中受創且吃水較大，沒有同4艘美國驅逐艦同行，它通過巽他海峽撤往錫蘭的科倫坡。
2月28日夜，在英國驅逐艦“因康特”號和美國驅逐艦“波普”號護衛下，“埃克塞特”號從泗水起航，從巴韋安島以東駛向婆羅洲，然後沿近岸水域西行。3月1日上午9時左右，在巴韋安島西北方被日軍偵察機發現。日軍調集“足柄”、“妙高”、“那智”、“羽黑”號4艘巡洋艦、5艘驅逐艦和數十架飛機對其圍殲。約至中午，“埃克塞特”號與“因康特”號被艦炮和魚雷擊沉。“波普”號逃向岸邊，被日機炸毀。
3月1日，一些停泊在芝拉紮的幾艘軍艦出海南撤，途中遭到日機襲擊，受到一些損傷，但多數撤至澳大利亞。