驱逐舰诱敌
25日3时30分，美军战列舰和巡洋舰的雷达发现日舰。此时美舰沿莱特岛布阵，3艘巡洋舰在右，5艘巡洋舰在左，中间是6艘横排的战列舰(“西弗吉尼亚”号、“马里兰”号、“密西西比”号、“田纳西”号、“加利福尼亚”号、“宾夕法尼亚”号)，舰队以15节速度缓慢航行，扼守苏里高海峡北口。
3时35分，美军9艘驱逐舰抵近诱敌。日军“山城”号战列舰和“最上”号重巡洋舰中计，只顾炮轰美军驱逐舰，却没有发现自己正进入美军巡洋舰的射程。3时51分，美军8艘巡洋舰距离日舰14千米，众多152毫米口径舰炮开火。暗夜中，美巡洋舰射击瞬间的耀眼火球如流星般闪现。日舰“以闪光为目标”，耗费了不少大口径弹药，但全无战果。
战列舰对决
就在日舰庆幸“敌军火力杀伤力不大”时，24千米外的6艘美国战列舰排成标准T字阵形后，也纷纷开火。“西弗吉尼亚”号的8门406毫米主炮和其他战列舰的356毫米主炮在新型火控雷达和指挥仪的辅助下，向日舰猛轰。首次齐射，“西弗吉尼亚”号主炮正中“山城”号，之后以大约40秒1次的频率投送重型穿甲弹。“山城”号被撕开了喷吐烈焰的可怕伤口，1座炮塔被气浪掀动，军舰航速下降到12节，舰上水兵不得不全力投入损管。
美军巡洋舰发现日舰火力渐稀，当即主动抵近射击。几十门152毫米舰炮喷吐出的炮弹如同“机枪扫射”，以至于指挥官不得不命令放慢射击速度。此时，1艘名为“本尼昂”的美军驱逐舰也冒险向日本战列舰突进，还鼓动其他驱逐舰抵近发动鱼雷攻击。日军“最上”号重巡洋舰为了躲避鱼雷，被迫大动作转弯，无暇开火，被美舰趁机利用雷达锁定射击，大口径炮弹连续击中，上层建筑严重损毁，高级军官几乎全部阵亡。“最上”号被迫掉头逃命。
只剩4门主炮能正常开火的“山城”号，一边扑救舰上燃起的大火，一边向美舰拼死射击。不过，由于日舰的火控系统相对简陋，取得的“战果”微乎其微。最终，约4时12分，坐镇“山城”号的西村中将发出最后命令：“向上级报告，我们现在突入莱特湾玉碎。”不久，“山城”号多次中雷，倾覆沉没。可笑的是，在沉没之前，西村中将还向残存舰艇打灯语，命令各舰接受“扶桑”号指挥，却不知“扶桑”号早已沉没。
航空兵追杀
趁美舰围攻“山城”号，日军“最上”号重巡洋舰和“时雨”号驱逐舰悄然逃窜，不料却迎面撞上了志摩舰队，互撞受伤。之后，这些日舰一起南逃。几小时后，遭受重创的“最上”号又遭到美军鱼雷艇和舰载机的追杀，不得不废弃，被友舰发射鱼雷击沉。最终，西村舰队只有“时雨”号逃脱，成了日军著名的“祥瑞舰”。
作战评价
在主力舰对决中，6艘美军战列舰的大口径主炮发射炮弹285发，巡洋舰的主炮发射超过4000发，美军41人阵亡、114人负伤，日军战死超过4000人，日军舰艇被基本摧毁，美军可谓大获全胜。另外，这次战役前后的舰载机作战似乎暗示了战列舰的命运，正如一位海军专家叹息：“苏里高海峡内巨炮咆哮过后，迎来的是静谧。仿佛可以想象，那些海战英灵正在对他们熟知的海战模式敬礼告别……”
