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由于失去了空中掩护他的舰只将在第二天撤走，尽管登陆部队的补给物资卸载量还不到四分之一。
范德格里夫特对此表示了强烈抗议，但特纳认为他别无选择，只能连夜尽可能多卸下一些物资。会议气氛十分紧张，开了数小时仍是不欢而散。就在会议结束，克拉奇利乘汽艇赶回旗舰半路上，战斗打响了。
美军在铁底湾部署是：分为三个巡逻区，以瓜岛和图拉吉岛之间的萨沃岛中心点125度延伸线划分南北两个巡逻区，佛罗里达岛西侧子午线以东为东巡逻区。南区由第一大队3艘巡洋舰、2艘驱逐舰负责警戒，北区由第二大队3艘巡洋舰、2艘驱逐舰负责警戒，东区由第三大队2艘巡洋舰、2艘驱逐舰负责警戒，另以2艘驱逐舰在萨沃岛以西巡逻，作为雷达警戒哨。克拉奇利去开会前只是指定“芝加哥”号巡洋舰舰长代理指挥南区巡逻，既没有具体指示，也没作战预案。
8月9日一时，日舰驶抵萨沃岛西北，日军瞭望兵夜战素质较高，先发现了两艘巡逻的美军驱逐舰，而装备新型雷达的美军驱逐舰却未能发现日舰，三川率舰队实施了巧妙的机动从这两艘美舰之间进入铁底湾，美舰还毫无察觉。三川考虑到自己编队长达8000余米，作战海域狭窄，又是夜间，编队作战多有不便，于是下令各舰按照作战计划自行战斗。
一时三十三分，三川下达总攻击令。直到十分钟后，美军“帕特森”号驱逐舰才发现日舰，刚用无线电发出警报：
“注意！不明身份军舰正在进港！”
日军的水上飞机就投下了照明弹，将南区的美舰照得清清楚楚，日军的炮弹和鱼雷接踵而来，澳大利亚海军“堪培拉”号巡洋舰右舷连中两条鱼雷，又先后被24发炮弹击中，不到五分钟就失去了战斗力，天亮后被美军自己击沉。“芝加哥”号接到报警，舰长下令发射照明弹，但几发照明弹都没点着火，就在这时舰长发现有数条鱼雷射来，立即转舵规避，为时已晚，舰首被一条鱼雷击中，桅杆也被一发 203 毫米炮弹击中，“芝加哥”号连连开炮还击，由于日舰速度很快，只来得及向日军队列最后的“夕风”号驱逐舰发射了25发炮弹就失去了目标，便向西退出战斗。
最先发现日舰的“帕特森”号驱逐舰与日舰展开炮战，舰长下令发射鱼雷，鱼雷长未听到命令而没执行，该舰被日军击中一弹，两门舰炮被毁。“巴格雷”号驱逐舰占领了发射阵位，舰长下令发射鱼雷，但鱼雷射击诸元还没装定，眼睁睁看着日舰离去，等到鱼雷发射，早已追不上远去的日舰了。