双方都有舰艇受了轻伤。日舰开始发射鱼雷。17时05分，盟军巡洋舰“埃克塞特”号被一颗鱼雷击伤，“休斯敦”号也中了弹，不得不减速，盟军舰队的队形被打乱。3分钟后，“埃克塞特”号再次中弹，8个锅炉被炸毁6个，它不由自主地向左转向，其它的盟军舰艇也随着它改变了方向，只有旗舰“德鲁伊特尔”号仍保持着原来的航向。“佩思”号急忙在“埃克塞特”号周围施放烟幕，以防它再受日舰攻击。而日军的侦察机一宣在盟军舰队上方盘旋，为日舰提供准确的攻击目标。混乱之中，驱逐舰“科顿纳尔”号于17时13分被鱼雷击中，炸成两半，2分钟后即沉入海中。
17时25分，杜尔曼才重新控制住局势。他命令驱逐舰进行反击。“伊莱克特拉”号、“固康特号”和“丘比特”号向日军舰队冲击。战斗中，它们击伤了日舰“大潮”号、“涟”号，而“伊莱克特拉”号则被日军击沉。太阳落下了海面。杜尔曼下令施放烟幕，准备撤出战斗，18时30分，双方舰队脱离接触。战斗暂时中止。联合突击编队的损失显然比日军要大。更加糟糕的，是日本侦察机很快就盯上了盟军舰队，而盟军舰队却无法把握敌军的动向。天平已经向日本海军倾斜。
杜尔曼仍决心不惜一切代价完成自己的使命，他希望能发现敌人的运输舰，消灭敌人的登陆部队。然而他无法做到这一点。高木武雄却能根据侦察机提供的情报，总是把自己的舰队阻隔在盟军舰队和运输队之间，保护运输舰队不受攻击。
杜尔曼的舰队在黑夜里追踪着日军舰队，双方不时发生小规模的炮战。然而到了21时25分，盟军又遭到了新的打击，“丘比特”号可能撞上了他们自己布下的水雷，当场被炸沉。这时，除了回港口加油的驱逐舰，联合突击编队中只剩下四艘巡洋舰和“固康特”号驱逐舰。可是“固康特”号驱逐舰无法同巡洋舰保持相同的速度，不久就从战场上消失了。
时近午夜，顽强战斗的四艘盟军巡洋舰突然遭遇了日军巡洋舰“羽黑”号和”那智”号。日舰抢先占据了有利地位，左、右舷舰炮一齐开火，同时还发射了鱼雷。直到这时，盟军还没弄明白日军的新式鱼雷射程有多远!23时32分，“爪哇”号被鱼雷击中;两分钟后，联合突击编队的旗舰“德鲁伊特尔”号也中了鱼雷。
20分钟后，“爪哇”号沉入海底。“德鲁伊特尔”号中弹后，在海上漂浮了一个半小时才最后沉入海中。杜尔曼将军完全有足够的时间搭乘救主艇离舰求生。然而，这位忠实的反法西斯战士，却和他的参谋们一起，选择了与战舰同归于尽的命运。这不仅仅是将士们悲壮的结局，几乎也就是联合突击编队以至盟军在爪哇大海战中的悲壮结局。联合突击编队最后的两艘巡洋舰，“佩思”号和“休斯敦”号仍在坚持战斗。2月28日凌晨零时13分，“佩思”号在连中6发鱼雷后沉入海底。“休斯敦”号孤军奋战，对付绝对优势的敌人，但它只多坚持了7分钟，零时20分，“休斯敦”号被3枚鱼雷击中，20分钟后沉没。
