很快德艦尾部出現了一枚光點，隨即將德艦照得透亮，貝伊不知道英軍會從哪裏發起攻擊，隻好盲目命令主炮瞄準正前方，並讓左舷高射炮擊落照明彈。
直到“約克公爵號”主炮開火後，德艦才根據英艦炮口的火光發現英艦位置，貝伊意識到陷入了英軍包圍，不敢戀戰，隻得一邊還擊，一邊以31節的高速撤退，但還是沒能逃出英艦的炮火射程.
“約克公爵”的一發主炮炮彈命中德艦的一座前主炮炮塔，炮塔頓時起火，盡管德艦上的損管人員奮力搶修，迅速控製了火勢，但這座主炮卻被摧毀，德艦火力因此銳減。
德艦且戰且走，“約克公爵號”也數次被德艦擊中，主桅杆也被炸斷，但弗雷澤沒有絲毫退縮，仍舊猛烈攻擊。
又一發356毫米炮彈命中“沙恩霍斯特號”後甲板，劇烈的爆炸引發了大火，並很快波及了上層建築。
熊熊大火使德艦在昏暗的海麵上成為非常醒目的目標，“約克公爵號”繼續攻擊，德艦連連中彈，前主炮的排煙裝置被毀，炮塔裏硝煙彌漫，炮手根本無法操炮。
前甲板上的150毫米副炮也多被擊毀；鍋爐艙中彈，德艦航速開始下降，但損管人員和輪機人員拚死搶修，終於修複損傷，航速又逐漸恢複，漸漸與英艦拉開了距離。
德艦上甲板已經遍體鱗傷，上層建築麵目全非，艦員死傷累累，但仍能保持著26節的航速，隻需再航行一小時就能回到挪威海岸。
但此時此刻，英艦豈肯讓到手的“大魚”輕易脫逃，4艘英軍驅逐艦兵分兩路，左右夾擊而來，德艦迅速開火。
右側的“蠍子號”和“斯托爾德號”驅逐艦在2000米距離上各發射了8枚魚雷，“沙恩霍斯特號”的艦長欣茲上校立即指揮軍艦滿舵做大回轉，以規避魚雷，但還是有一枚魚雷命中艦橋下方。
緊接著左側的“索馬斯號”和“野人號”也接近到1800米，分別發射6枚魚雷，德艦因為已經中了一枚魚雷，機動性降低，規避也沒有剛才那樣靈活，此次共有3枚魚雷命中，海水從破口大量湧入，航速下降至22節。
這時，“約克公爵號”也追了上來，它再次用威力強大的356毫米主炮猛轟，“貝爾法斯特號”和“諾福克號”巡洋艦也加入戰鬥，“沙恩霍斯特號”連連中彈，多處起火，全艦都被烈火濃煙所籠罩，艦員死傷慘重。
頑固的貝伊仍組織最後戰鬥，下令將前主炮的炮彈全部運到尚能使用的後主炮，拚死抵抗。
但他也意識到將難逃此劫，命令銷毀所有機密文件，並致電海軍總司令鄧尼茲：“我艦正與敵主力戰艦交戰，決心戰至最後一彈！”
至晚19時，“沙恩霍斯特號”的航速已降至10節，而且唯一的後主炮也被“約克公爵號”摧毀，隻剩下幾門150毫米副炮，幾乎喪失了還手之力。弗雷澤見光靠炮火難以迅速結束戰鬥，也不願寶貴的戰列艦和巡洋艦在最後戰鬥中受損，下令戰列艦和巡洋艦後撤，由驅逐艦實施魚雷攻擊。
漸漸德艦航速僅為5節，並開始傾斜，欣茲艦長見已無法挽回，隻得下達棄艦命令。此時英軍數艘驅逐艦一邊用炮火轟擊，一邊逼近德艦發射魚雷，英軍先後射出55枚魚雷，共有11枚命中，猛烈的爆炸接二連三，最終引發了彈藥艙的大爆炸，“沙恩霍斯特號”在經過震耳欲聾的陣陣轟鳴之後，終於隨著一陣濃煙沉入了海底。
英軍驅逐艦隨即開始營救落水德軍官兵，德艦上共有約2000人，隻有36人獲救。
1943年12月29日，JW—55B船隊安全到達蘇聯科拉灣。
1944年1月1日，RA—55A船隊也安全抵達英國埃韋灣，這兩支船隊均無損失。
英軍參戰的兩支水麵艦艇編隊在蘇聯進行修理和休整後，於4月4日返回英國。
此次作戰，英國海軍采取正確的戰略戰術，情報保障及時得力，各編隊之間協同密切，配合默契，技術裝備尤其是雷達性能優異，使指揮官準確掌握戰場形勢，官兵訓練有素，在低能見度條件下，所進行的機動和編隊航行幾乎與白晝毫無區別。
反觀德軍，戰術上貿然將驅逐艦分散，使戰列艦失去了有效的保護，偵察保障不力，對戰場情況了解極少，而且雷達性能不理想，最後還在戰鬥中被毀。種種原因，導致德海軍威力最大、令盟軍頭痛的“沙恩霍斯特”葬身海底，德軍所依賴的海上優勢也隨之土崩瓦解。