Во время этого перерыва команды обеих эскадр обедали, а англичане переоделись из грязного угольного платья в чистое. Наконец в 12 ч.20 м. легкие крейсера британской эскадры подтянулись, и в 12 ч.50 м. линейные крейсера увеличили скорость вновь, доведя ее до 25 уз. “Инвинсибл” поднял сигнал об открытии огня в 12 ч.55 м. В 12 4.58 м. с дистанции 14500 м (79 каб.) “Инвинсибл” открыл огонь по замыкающему германскую кильватерную колонну легкому крейсеру “Лейпциг” (1905 г., 3250 т, 10 105-мм, 23 уз.). Вместе с “Инфлексиблом” они выпустили по нему около 20 снарядов.
В 13 ч.20 м. германские легкие крейсера получили приказ рассредоточиться, отвернули на юго-запад и стали уходить, преследуемые крейсерами “Корнвол”, “Кент” и “Глазго”. “Инвинсибл” и “Инфлексибл” в первую очередь старались навязать бой “Шарнхорсту” и “Гнейзенау”.
После двухчасовой погони в 13 ч.02 м. “Инвинсибл” наконец открыл артиллерийский огонь с дальней дистанции по германскому флагману “Шарнхорсту”, а в 13 ч.25 м. “Шарнхорст” и “Гнейзенау”, в свою очередь, открыли ответный огонь по британским линейным крейсерам, а когда дистанция уменьшилась до 11000 м (59 каб.), немцы ввели в действие и 150-мм орудия и одновременно повернули на восток, желая, по-видимому, отвлечь англичан от своих легких крейсеров.
Предельная дальность стрельбы британских 305-мм орудий составляла 15000-15500 м (81-84 каб.), дистанция действительного огня 11000-13000 м (59-70 каб.). На обоих германских крейсерах 210-мм орудия имели предельную дальность 15000 м (81 каб.), 150-мм казематные орудия 13750 м (74 каб.). Немцы на всех дистанциях были уязвимы для 305-мм орудий англичан, британские же линейные крейсера имели броню, непробиваемую для 210-мм снарядов на дистанции 13000 м (70 каб.), а на меньшей и для 150-мм орудий.
Уже в 13 ч.45 м. с третьего залпа “Инвинсибл" получил несколько попаданий 210-мм снарядами и, чтобы сбить пристрелку, отвернул на два румба влево для увеличения дистанции. В 14 ч.10 м. “Шарнхорст” прекратил стрельбу,так как “Инвинсибл” вышел из зоны досягаемости его орудий. Стерди решил не сближаться немедленно на дистанцию решительного боя, на которой расход боеприпасов был бы наименьшим и которая обеспечила бы ему быструю победу. Причинами было желание избежать хотя бы малейшего повреждения своих линейных крейсеров и высокая выучка германских комендоров. В бою на предельной дистанции риск получить повреждения для его кораблей отсутствовал вовсе, зато расход боеприпасов почти наверняка должен был быть огромным.
В первой фазе боя стрельба англичан оказалась исключительно плохой. “Шарнхорст” и "Гнейзенау” получили только по два попадания, и ни один из них не был серьезно поврежден. Разрушительная сила британских 305- мм снарядов оказалась гораздо меньше, чем можно было ожидать. Примерно через полчаса англичане снова пошли на сближение. Когда в 14 ч.48 м. дистанция между ними снова уменьшилась до 15200 м (82 каб.), британский флагман вновь открыл огонь по “Шарнхорсту”, ас 15 ч. 15 м. в течение пяти минут обстреливал "Гнейзенау”, когда немецкие корабли поменялись местами. Германские корабли получили значительные повреждения, но продолжали упорно сопротивляться.
Бой сделался жарким, дистанция уменьшилась до 11000 м (59 каб.), и Стерди не допускал дальнейшего уменьшения дистанции, чтобы не дать немцам возможности действенным образом использовать 150-мм орудия. Стрельба англичан была бы точнее, если бы Стерди не держал “Инфлексибл” в густом дыму флагманского корабля. Оба британских линейных крейсера в период преследования крейсеров адмирала Шпее сжигали в топках нефть с углем. При этом густой черный дым из дымовых труб “Инвинсибла” мешал вести огонь артиллерии своей и “Инфлексибла”, и они впустую тратили свои ценные снаряды.
Во время боя частота вращения гребных винтов “Инвинсибла” достигала в среднем 298 об./мин. и в один период достигла 308 об./мин. Его осадка составляла 8,53 м носом и 9,14 м кормой, и, поскольку днище крейсера очистили в доке перед выходом из Англии, он мог легко развивать 26 уз.
Около 16 ч.00 м. стало ясно, что “Шарнхорсту” приходит конец. Он сильно осел, его корму охватило пламя. Тем не менее на нем развевался германский флаг, и корабль продолжал энергично стрелять уцелевшей артиллерией. Уцелела только одна из четырех труб “Шарнхорста”, он имел большой и все возрастающий крен на правый борт. В 16 ч. 10 м., дав последний залп из носовой башни, он стал медленно опрокидываться, около 7 минут пролежал на борту с вращающимися винтами и наконец в 16 ч.17 м. скрылся под водой носом вперед, унося на дно командующего германской эскадрой адмирала фон Шпее и весь экипаж броненосного крейсера в количестве 860 человек. Координаты места гибели броненосного крейсера 52°40'ю.ш., 55°5Гз.д. Так как бой продолжался, британские крейсера не смогли оказать помощь команде “Шарнхорста”. Не спасся никто, поскольку вода в это время года была очень холодная, а противники стремились в первую очередь уничтожить друг друга, а уже потом заняться спасением людей.
В свою очередь “Инфлексибл” подавил стрельбу “Гнейзенау”, когда тот был весь в огне от носа до кормы. Теперь англичане вели спокойную размеренную стрельбу, напоминающую прицельный огонь по мишени.
В 17 ч.20 м. “Гнейзенау”, имея большие повреждения, без передней трубы, но с развевающимся флагом развернулся навстречу англичанам и в 17 ч.25 м. выпустил торпеду. В 17 ч.30 м. “Гнейзенау” еще держался на воде в виде разбитого остова, все орудия, кроме одного, выведены из строя, на палубе бушевали пожары. Затем корабль внезапно остановился, имея сильный крен на правый борт. Он добился еще одного попадания в “Инвинсибл” и в 18 ч.02 м. также опрокинулся на правый борт и затонул. С потопленного “Гнейзенау” шлюпками на “Инвинсибл" из ледяной воды, охлаждаемой айсбергами. подняли 7 офицеров и 101 матроса из общего числа 187 спасенных. Из экипажа “Гнейзенау” 598 человек погибло. Координаты места гибели крейсера 52°46'ю.ш., 56°04'з.д.
В самом начале боя легким крейсерам германской эскадры приказали рассредоточиться, и британские крейсера, каждый выбрав себе определенную жертву, перешли в преследование. Англичане потопили германские легкие крейсера “Лейпциг" и “Нюрнберг", только “Дрезден” в этот раз ушел, чтобы найти свой конец в марте 1915г. Устаревший “Кент” (24,1 уз.) в процессе своей погони за “Нюрнбергом” (23 уз.), для достижения скорости выше проектной, увеличил за счет строевых свою машинную команду. Экипаж приложил нечеловеческие усилия. Для усиления горения в топках котлов сожгли даже мебель из кают-компании, но “Нюрнберг” догнали и 9 декабря около 7 часов утра потопили. Так был отомщен контр- адмирал Крэдок и его эскадра.
В уничтожении германской эскадры в бою у Фолклендских островов линейные крейсера “Инвинсибл" и “Инфлексибл” сыграли решающую роль, причем “Инвинсибл” подвергся наиболее интенсивному и сосредоточенному огню броненосных крейсеров противника. За время боя в “Инвинсибл" попало 22 снаряда (согласно Breyer [4], 23 попадания), среди них двенадцать 210-мм, шесть 150-мм, а калибр четырех остальных не удалось определить. Одиннадцать попаданий пришлось в палубу, четыре в бортовую броню, три в небронированный борт. Два снаряда попали ниже ватерлинии, один в башню “А” и один в фок-мачту. Однако серьезных повреждений они не нанесли, лишь слегка ранив двух матросов.
Бой у Фолклендских островов был первым эскадренным сражением, в котором принимали участие линейные крейсера. Но он был боем неравноценных по классу кораблей и поэтому не представлял большого интереса с точки зрения тактики. Его исход от начала и до конца решила корабельная артиллерия. Англичане имели подавляющее превосходство в скорости, артиллерии и водоизмещении. Отправка линейных крейсеров в Южное полушарие была, без сомнения, одним из правильных решений и единственным смелым и своевременным маневром за всю войну, предпринятым адмиралом Фишером. Британские линейные крейсера в бою у Фолклендских островов, несмотря на большой расход боеприпасов главного калибра, несомненно, сделали свое дело, и "их поход был полностью оправдан.