黃昏時分，李接到敵情通報：日軍戰列艦編隊於16時已進入瓜島以北150海裏處，並繼續向瓜島駛來。
李少將被認為是美國海軍最聰明的智囊，而且他同時也是雷達專家。李認為要確保瓜島機場，必須全力阻擊來犯之敵。他深知這必是一場艱苦異常的戰鬥，因此製定了比較審慎的作戰方案。李少將為了避免像12日夜間那樣的混戰，並使戰列艦具有更廣闊的回旋餘地，他計劃在埃斯佩蘭斯角附近比較開闊的海域展開戰鬥。
於是，天黑後，李少將就率領他的艦隊駛過“鐵底灣”，前往埃斯佩蘭斯角。當美軍軍艦通過“鐵底灣”時，海底下沉沒的大量鋼鐵殘骸強烈的幹擾了軍艦的羅盤，磁性羅盤的指針不停地來回亂擺。
瓜島上吹來的陣陣涼風，不再是像過去那樣彌漫著熱帶植物腐爛的惡臭，而是散發著金銀花的香味。對於這從來沒有過的現象，軍艦上的很多船員都認為是一種吉兆，一種勝利在望的預兆。
此時，美軍的隊形是以4艘驅逐艦為前導，兩艘戰列艦在後，單縱列魚貫而行。他們正駛過薩沃島東南部。
當美軍艦隊從薩沃島以北水道進入“鐵底灣”時被日軍橋本分隊發現，日軍便從後追趕。李少將推算日軍將在23時左右到來，就率領美艦隊繞著薩沃島巡邏，嚴陣以待。當艦隊從薩沃島東南轉向西麵航行時，李少將的旗艦“華盛頓”號的雷達發現了日軍橋本分隊，李隨即下令向西轉舵，橫在日軍的航線上，作好迎戰準備。
橋本分隊分兩路向美艦發起了攻擊：一路是“敷波”號、“浦波”號驅逐艦和“川內”號輕巡洋艦，從薩沃島東麵進攻；另一路是“綾波”號驅逐艦，從薩沃島西麵發動偷襲。
日軍還以為這支美軍艦隊不過是由巡洋艦和驅逐艦組成，於是“川內”號自不量力地向美艦逼近，直到美軍戰列艦的406毫米重炮的炮彈落在日艦旁邊掀起巨大的水柱，橋本才意識到這根本不是巡洋艦，而是強大的戰列艦。
橋本一麵向近藤報告，一麵下令施放煙幕，並帶著3艘日艦急速撤退。而“綾波”號就沒那麼幸運了，美軍通過雷達早已發現了它的行動。美軍迅速轉移火力，對“綾波”號進行了集中射擊，“綾波”號接連中彈，在兩次爆炸後沉沒。
這時，日軍木村編隊的5艘軍艦也從薩沃島西側駛來。這5艘日艦緊靠著薩沃島航行，巧妙隱蔽在薩沃島的雷達回波中，沒被美軍雷達及時發現。日艦突然向美艦開火，並發射魚雷，美軍前衛的4艘驅逐艦被打了個措手不及，還來不及做出反應，“沃爾克”號和“普雷斯頓”號就被擊沉，“格溫”號和“本哈姆”號則受到重創，失去戰鬥力。
在驅逐艦後麵的“華盛頓”號戰列艦向左轉向，“南達科他”號向右轉向，以避開前麵失去控製的驅逐艦。這就使美軍的兩艘戰列艦在無奈中分散開，陷入各自為戰的被動局麵。
近藤以為由橋本和木村兩支分隊對付美軍的巡洋艦和驅逐艦編隊是綽綽有餘的，所以自己就率領本隊和另外兩艘驅逐艦在薩沃島西北巡航。近藤全力準備炮擊美軍機場而並不是投入海戰，當他得到發現美軍戰列艦的報告後，才急忙趕來參戰。
近藤首先用探照燈照住“南達科他”號，並立即使用魚雷和艦炮進行集中攻擊。“南達科他”號此時正巧電路發生故障，因炮塔失去動力而無法開火，它全靠靈活的機動才躲過了魚雷攻擊。但後來，“南達科他”號被多發大口徑炮彈命中，上層建築被打得麵目全非，便不得不向西南撤退。
這樣一來，李少將就剩下了旗艦“華盛頓”號一艘軍艦。盡管以寡敵眾，但李毫不畏懼。他憑借著性能優異的雷達，準確地測定了日艦的位置，隨即在雷達指引下實施了精確射擊。日軍“霧島”號戰列艦在短短7分鍾內就被擊中9發406毫米炮彈和40發127毫米炮彈，船艙多處起火，舵機失靈，很快喪失了戰鬥力。
“華盛頓”號在以全部406毫米主炮和部分127毫米副炮轟擊“霧島”號的同時，還以部分127毫米副炮轟擊其他日艦，日軍“愛宕”號和“高雄”號重巡洋艦都被其擊傷。為了把“南達科他”號附近的日艦引開，李指揮“華盛頓”號先向西北航行，日艦在其右後方追擊一段時間後，近藤見美艦炮火非常凶猛難以取勝，便不得不放棄炮擊機場的計劃，於15日淩晨3時下令施放煙幕退出戰鬥。
“華盛頓”號也已經沒有驅逐艦掩護，但李少將依然對日艦緊追不舍。直到日軍驅逐艦回過頭來向他發射魚雷時，李才折回去與“南達科他”號會合。他隨後掩護“南達科他”號撲滅了大火，搶修了其破損。
“霧島”因為舵機失靈，無法跟隨近藤撤退。它擔心天亮後會遭到美軍飛機的攻擊，就在15日淩晨打開海底閥自行沉沒。日軍的“朝雲”號驅逐艦也因傷勢太重而沉沒。
在這次夜戰中，美軍兩艘驅逐艦被擊沉，1艘戰列艦和兩艘驅逐艦被擊傷。日軍1艘戰列艦和兩艘驅逐艦沉沒，兩艘巡洋艦被擊傷。