借舰队指挥的统一性，日军很快实施了大规模的鱼雷齐射。
几十枚鱼雷在水下划出致命的白色航迹，以扇面齐射的方式，直奔盟军舰船而去。
盟军舰队的队形在日军密集的鱼雷攻击下很快被打乱。
首先遭殃的是英国皇家海军的“埃克塞特”号重巡洋舰，一枚鱼雷命中其舰体，巨大的爆炸导致其航速骤减，动力受损。
这使其立刻成为了日军舰队集火的重点，随后接连被多发炮弹击中，八个锅炉中有六个被毁，浓烟烈火笼罩整个舰体。
“埃克塞特”号重巡不得不提前撤出战斗序列，但最终也未能逃脱沉没的命运。
另外，荷兰的“科顿艾尔”号驱逐舰，也被一枚鱼雷命中右舷尾部，剧烈的爆炸几乎将这艘千吨级的驱逐舰瞬间炸成两半，船身在巨大的冲击力下发生翻转，很快便沉没了。
这场残酷的海上厮杀从下午四时一直持续到深夜，又延伸到次日凌晨，断断续续进行了近十几个小时的缠斗与追击。
盟军多艘驱逐舰相继被击沉，至次日凌晨，仅剩四艘巡洋舰还能独立作战。
然而在撤离过程中，这支残存的舰队再度被以“那智”、“羽黑”为首的日军主力舰队追上。
荷兰的 “德鲁伊特” 号和“爪哇” 号轻巡被击沉，舰队指挥官杜尔曼将军也随舰殉职。
而美国的“休斯敦” 号重巡和澳大利亚的 “珀斯” 号轻巡虽然暂时突围，但已是强弩之末，在接下来两天的逃亡与追击战中，最终也未能幸免。
泗水海战，以盟军的惨重失利告终。
盟军一共损失了五艘巡洋舰（两重三轻），以及多艘驱逐舰和辅助舰艇。
此役不仅使盟军丧失了荷属东印度群岛附近的制海权，无法有效阻止日军后续的登陆行动。
更导致驻守爪哇岛的盟军地面部队陷入补给断绝、孤立无援的绝境，加速了整个荷属东印度的陷落。