К тому времени обстановка в ночном штормовом Баренцевом море выглядела следующим образом. Когда «Шарнхорст» в сопровождении пяти эсминцев покинул Альтен-фиорд 25 декабря, британская разведка тут же поставила в известность командующего Флотом Метрополии адмирала Брюса Фрэзэра, а британская миссия в Мурманске поделилась этой новостью с Головко. Теперь мышление советского адмирала сфокусировалось определенным образом: «… Несомненно: гитлеровцы не ведают о визите Фрэзэра и английского линкора к нам, иначе они поостереглись бы рисковать "Шарнхорстом". Сейчас я задаю себе вопрос действительно ли "Дьюк оф Йорк" ушел в Англию? Не подстерегает ли он "Шарнхорста" где-нибудь на пути к союзному каравану? Гадать нечего, надеяться на дядю тоже. Мы должны действовать сами, то есть прежде всего послать подводные лодки на перехват "Шарнхорсту". Поэтому я приказал Тамману (Л-20) перейти с позиции у Нордкапа к Альтен-фиорду. Туда же отправил Лунина (К-21)» (Головко, с 203).

Из-за болезни Кумметца командование операцией «Остфронт» принял на себя контр-адмирал Э. Бэй, находившийся со своим штабом на «Шарнхорсте» (командир капитан 1-го ранга Хинце). В это время завеса немецких подводных лодок у острова Медвежий обнаружила союзные транспорты, но из-за штормовой погоды не имела возможности их атаковать. Волнение усилилось настолько, что в 8 ч. 40 мин. 26 декабря Бэй приказал эсминцам сопровождения возвращаться в базу. Тем не менее немецкий адмирал считал, что общая ситуация в это время благоприятствует выполнению его задачи. На самом деле он все более втягивался в ловушку, расставленную англичанами, о чем, возможно, догадался, когда в 9 ч. 24 мин. он был сначала ослеплен вспышками осветительных снарядов с «Норфолка» флагмана Барнетта, а затем поднявшимися столбами воды от падения восьмидюймовых снарядов: англичане уже сорок минут видели его корабль на экранах своих локаторов. Определенно, англичанам везло — одним из первых снарядов они сбили на «Шарнхорсте» антенну радиолокатора, и теперь немцам в темноте полярной ночи осталось полагаться лишь на превосходные цейссовские бинокли, которые по своим возможностям не могли заменить радиолокации. Тем не менее Бэй, выйдя из-под огня англичан, упорно продолжал идти курсом на север на пересечку союзному конвою еще почти три часа, пока снова не попал под снаряды крейсерского отряда Барнетга. При этом, по показаниям уцелевших в этом безнадежном бою, около 11 часов на «Шарнхорсте», по сведениям воздушной разведки, уже знали о присутствии в море неизвестных тяжелых кораблей в ста пятидесяти милях западнее — это мог быть только противник, но, видимо, штаб Бэя надеялся каким-то образом разойтись с ним

Второй огневой контакт после полудня оказался более успешным для «Шарнхорста», причем огонь немцев из передних башен главного калибра был достаточно точным, судя по многочисленным накрытиям Темпе менее крейсера Барнетга оказались непреодолимой преградой на пути к каравану, отчего Бэй после полудня принял решение на возвращение в базу генеральным курсом около 170°, в то время как с севера на него продолжали наседать английские крейсера. Хотя «Норфолк» и получил два попадания одинадцатидюймовыми снарядами немцев (погиб один офицер и шесть матросов, вышла из строя одна из башен главного калибра), благодаря локатору он продолжал снабжать Фрэзэра необходимой информацией о положении немецкого линкора — и это было главным в складывавшейся боевой обстановке… Теперь, даже перехватывая радиопереговоры английских кораблей с последующей расшифровкой, штаб кригсмарине был бессилен что-либо изменить в ситуации, когда Бэй шел навстречу эскадре Фрэзэра и собственной гибели.

Заняв выгодную позицию, Фрэзэр вел себя в высшей степени свободно, поддерживая связь по радио, что позволяло немцам пеленговать его положение в ситуации, с которой они не справлялись. Не взволновало сэра Брюса даже присутствие немецких воздушных разведчиков, на протяжении четырех часов отслеживавших движение англичан, поскольку погода не позволяла взлететь вражеским бомбардировщикам и торпедоносцам. Английский адмирал намеревался открыть огонь по немецкому линкору с короткой дистанции, с тем чтобы его снаряды нанесли противнику наибольшие разрушения, к чему были все основания, поскольку у немцев не работал радиолокатор. Все складывалось настолько удачно, что англичане занервничали, многократно перепроверяя поступающую информацию. Начальник штаба Фрэзэра так оценил складывающуюся обстановку: «Меня удивляет, что такие полные и точные данные никак не повлияли на маневрирование "Шарнхорста". Он упорно продолжает идти прежним курсом. Если он и дальше будет так продолжать, то примерно в 17 ч. 15 мин. начнется бой».

Действительно, уже в 16 ч. 17 мин. с главного радиолокационного поста «Дьюк оф Йорк» сообщили: «Мы поймали его, сэр! Дистанция 45 тыс. ярдов, пеленг — 20е».

Взаимодействие обоих английских соединений теперь определялось по минутам. Через полчаса на экране локатора флагмана возник силуэт «Белфаста» из отряда Барнета, а пятью минутами раньше радиометристы «Дьюк оф Йорк» определили дистанцию до «Шарнхорста» почти в 30 тыс., ярдов. Английские клещи вокруг «Шарнхорста» сомкнулись… К этому времени эсминцы сопровождения флагмана перестроились для атаки противника, и Фрэзэр по переговорной трубе приказал Расселу, командиру флагмана, в 16 час 50 мин. открыть огонь, а своим эсминцам приготовиться попарно к атаке противника с обоих бортов….Практически одновременно заговорили орудия «Белфаста» из соединения Барнета. Благодаря использованию локатора, уже с первых залпов английские комендоры добились успешного накрытия противника, на котором даже орудийные башни главного калибра в момент первого визуального контакта оставались развернутыми по-походному.

Английские снаряды подняли столбы воды всего в ста метрах от цели, причем с обоих бортов. На «Шарнхорсге» взвыли сирены боевой тревоги, хотя расчеты боевых постов и всех огневых точек давно стояли на своих местах. Глаза сигнальщиков и наблюдателей, находившихся на открытых постах, слепило красным и розовым светом от разрывов осветительных снарядов англичан. Поскольку документов с «Шарнхорсга» не сохранилось, по показаниям спасшихся можно установить лишь последовательность событий, но не время. Известно, что в попытке оторваться от англичан «Шарнхорст» лег на восточный курс, развив максимальную скорость, и по внутренней трансляции было объявлено: «Всем боевым постам. Соединение противника не в силах соревноваться с нами в скорости хода и отстало… "Шарнхорст" подтвердил свою боевую мощь». На какой-то момент немецкий линкор вырвался даже из-под града английских снарядов.

Тем не менее около 17 час. крупнокалиберный снаряд с английского флагмана поразил барбет (основание) передней носовой башни А, которая вышла из строя и больше огня не вела. Старпому донесли: «Огонь и дым мешают проникнуть в башню, чтобы выяснить обстановку. Связи с башней нет». Оставшиеся три башни главного калибра продолжали вести залповый огонь. В 17 ч. 54 мин. Бэй отправил радиограмму, гласившую: «…Окружен кораблями противника». Примерно в это время «Шарнхорст» получил второе попадание в среднюю часть корпуса, причем, пробив палубу, рикошетом снаряд взорвался в котельном отделении, отчего часть котлов вышла из строя, а скорость корабля упала. В рассказах спасенных немецких моряков, видимо, этот результат приписывается торпеде. Позднее спасшиеся рассказали о том, что запомнили из передач внутренней трансляции: «Попадание торпеды в котельное отделение правого борта. Скорость восемь узлов»; «Попадание снаряда в башню № 1 вспомогательной артиллерии, орудия выведены из строя, расчеты погибли», и так далее. Тем не менее спустя какое-то время скорость удалось поднять до 22 узлов, и эта новость приободрила немецких моряков, изнемогавших от напряжения боя. К этому времени только башня с орудиями главного калибра продолжала вести огонь, но, по английским сведениям, в 18 ч. 20 мин. она уже замолчала, полностью израсходовав боезапас. Видимо, тогда в Берлин и ушла радиограмма, сообщавшая, что «Шарнхорст» намерен сражаться до последнего снаряда, совсем как с обреченного «Бисмарка» в мае 1941-го. Теперь огонь вела лишь вспомогательная артиллерия, способная своими шестидюймовыми снарядами лишь отогнать вражеские эсминцы и тем отсрочить гибель собственного корабля, пока главный калибр «Дьюк оф Йорка» и крейсеров не довершит остальное. Однако Фрэзэр в 19 ч. 20 мин. предпочел использовать торпеды, когда его крейсера и эсминцы заняли свои позиции с обоих бортов обреченного противника, способного только огрызаться. Англичане выпустили по «Шарнхорсту» 55 торпед, из которых, по разным сведениям, поразили цель от 11 до 14: в спешке 2-го новогоднего боя было не до подсчетов попаданий.