天黑后，李就率领他的舰队驶过铁底湾，前往埃斯佩兰斯角。当军舰通过铁底湾时，通过磁性罗盘的指针不停乱摆，可判断出海底有大量沉没的军舰。这似乎意味着这里就是敌舰的葬身之处，敌人就要失败了。此时，瓜岛上吹来的阵阵凉风也不再像过去那样弥漫着热带植物腐烂所产生的令人作呕的恶臭，而是散发着金银花的香味——这可是从来没有过的，所以军舰上的很多人都认为这是一种吉兆——胜利在望的预兆。
当美舰队从萨沃岛北水道进入铁底湾时，被日军桥本分队发现，日军便从后追赶。李少将推算日军将在23时左右到来，就率领美舰队绕着萨沃岛巡逻，严阵以待。当从萨沃岛东南转向西面航行时，李少将的旗舰“华盛顿”号的雷达发现了日军桥本分队，李随即下令向西转舵，横在日军的航线上，作好迎战准备。桥本分队分两路发起了攻击，一路是“川”号轻巡洋舰和“敷波”号驱逐舰，从萨沃岛东面进攻；另一路是“绫波”号驱逐舰，从萨沃岛西面发动偷袭。
日军还以为美军舰队不过是巡洋舰和驱逐舰组成的，“川内”号自不量力向美舰逼近，直到美军战舰列的重炮的炮弹落在日舰旁边掀起巨大的水柱，桥本这才意识到美军根本不是巡洋舰，而是强大的战列舰。桥本一面向近藤报告，一面下令施放烟幕，带着3艘日舰急速撤退。而走在后面的“绫波”号就没那么幸运了，美军通过雷达早已发现了它的行动，迅速转移火力，对它进行集中射击，“绫波”号接连中弹，引起两次爆炸后沉没。
这时，日军木村编队的5艘军舰也从萨沃岛西侧驶来。这5艘日舰紧靠着萨沃岛航行，巧妙隐蔽在萨沃岛的雷达回波中，没被美军雷达及时发现。接近美舰时突然开火，并发射鱼雷。美军前卫的4艘驱逐舰被打了个措手不及，还来不及做出反应，“沃尔克”号和“普雷斯顿”号就被击沉，“格温”号和“本哈姆”号则受到重创，失去战斗力。在驱逐舰后面的战列舰“华盛顿”号向左转向，“南达科他”号向右转向，以避开前面失去控制的驱逐舰。这就使美军的2艘战列舰在无奈中分散开，陷入各自为战的被动局面。
原本近藤以为桥本和木村两支分队对付美军的巡洋舰和驱逐舰编队是绰绰有余的，所以自己率领本队和另外2艘驱逐舰在萨沃岛西北巡航，全力准备炮击机场而并不是投入眼前的海战。但当他得到发现美军战列舰的报告后，急忙赶来参战。他抓住“南达科他”号电路发生故障、炮塔失去动力的机会，全力开火，把“南达科他”的上层建筑打得面目全非，不得不向西南撤退。
这样，李就剩下了旗舰“华盛顿”号一艘军舰。尽管以寡敌众，但李毫不畏惧，凭借着性能优异的雷达，“华盛顿”号准确测定了日舰的位置。随即在雷达指引下实施了精确射击，日军“雾岛”号战列舰在短短7分钟里就被击中9发重炮炮弹和40发127毫米炮弹，船舱多处起火，舵机失灵，很快丧失了战斗力。
“华盛顿”号在以全部406毫米主炮和部分127毫米副炮轰击“雾岛”号的同时，还以部分127毫米副炮轰击其他日舰，日军重巡洋舰“爱宕”号和“高雄”号都被击伤。为了把“南达科他”号附近的日舰引开，李指挥“华盛顿”号先向西北航行。近藤见美舰炮火非常凶猛难以取得胜利，不得不放弃炮击机场的计划，于15日凌晨3时下令施放烟幕退出战斗。“雾岛”因为舵机失灵，无法跟随近藤撤退，又担心天亮后遭到美军飞机的攻击，就在15日凌晨打开海底阀自沉。日军的“朝云”号驱逐舰也因伤势太重而沉没。
至此，断断续续进行了3天的海战才告结束。
在这场持续三天的激烈海战中，美军共沉重巡洋舰2艘。驱逐舰6艘，伤战列舰1艘、巡洋舰2艘、驱逐舰4艘，顺利向瓜岛运上6000人的部队以及重装备和给养。日军沉战列舰2艘、重巡洋舰1艘、驱逐舰4艘、运输船10艘，重创运输船1艘，伤巡洋舰6艘、驱逐舰3艘，计划运送的1.35万人和1万吨物资仅有2000人和5吨物资运上瓜岛。
这是双方争夺瓜岛过程中一次决定性的海战，双方主要目的都是向瓜岛运送援兵和物资，并阻止对方的增援。在海战中，美军的运输比较顺利完成了，日军不仅付出了很大代价，而且所运输人员的85%和物资的99%都损失了，增援企图再次落空。而且通过这次海战，美军获得了瓜岛海域的制海权，加上瓜岛地区的制空权早已为美军所掌握，而日军的联合舰队又在海战中损失巨大，山本认为元气大伤的海军再也无法承受以如此巨大的代价去支援陆军的作战了。从此以后，山本不再派巡洋舰以上的水面舰只前往瓜岛，只使用驱逐舰利用夜间运送小量人员与物资，从而加剧了瓜岛上日军的困难处境。
美军则正好相反，在海战结束的第二天，即11月16日又将原在新几内亚的一批部队送上瓜岛，大大加强了瓜岛美军的力量，范德格里夫特认为胜利已经在握了！
瓜岛海战是一个决定性的转折。对美军来说，这次海战，是通往胜利的起点。
就在这同一时期，11月3日，在非洲战场，德国非洲军团溃退；11月8日，美国军队进入摩洛哥；11月13日，苏军收复托布鲁克；11月19日，苏军把德军从斯大林格勒最后一个街区赶了出去。
11月17日，美国罗斯福总统在纽约宣布：“在过去的两周，捷报频传，这次战争的转折点终于来到了。”
哈尔西将军在谈到瓜岛激战的意义时说：11月15日凌晨，日本海军以失败而告终。在这以前，是美国跟着日本的意图挺进，在此以后，他们只能跟随我们的指挥棒撤退了。”
6.日军伪装成功撤退
1942年9月中旬，东条在陆军大臣办公室里听到从瓜岛视察回来的官员们所做的战况报告，表现出从来没有过的激动。他说：“海军在我们不知道的情况下发动这次战役，让我们陆军擦屁股，这么搞很不好！为什么不在近处修飞机场呢？海军说有绝对优势能够作战，为什么白天不能掌握制海权呢？是不是把攻守的地方搞错了？怎样才能挽回颓势呢？”
10月下旬，日本陆军内部也发生重大摩擦。日本大本营统帅部田中新一作战部长向陆军省军务局佐藤贤了局长要求增加运输船舶和飞机，并要求增加充分的兵力和器材，去瓜岛附近洋面恢复制空权制海权，夺取瓜岛，遭到拒绝。
第三次所罗门海战（瓜岛海战）失败和第38师团运兵船被击沉以后，陆海军能够利用的运输船舶已经微乎其微了。11月6日，大本营陆军部又向陆军省要求增援37万吨船舶（已损失27万吨），陆军省坚决不答应。双方正闹得不可开交时，海军也来要求增援13万吨船舶，各方互不相让。
陆军统帅部田中新一作战部长反复坚持不能让3万人饿死在荒岛上，声嘶力竭地要求拨给37万吨船舶，寸步不让。陆军省军务局长则坚决不给，说的是：“3万人饿死荒岛，思之断肠，但不能因为救3万人而丢掉7000万人（指日本当时的总人口），不能拿国家的命运去换一个瓜达尔卡纳尔岛。”佐藤贤了主管军事行政，进退两难。
11月8日，东条英机也说：“佐藤如果答应陆军统帅部的要求，供应37万吨船舶，民需用船就必定不足，钢铁生产也要减少一半，那将要影响国力，战争再也维持不下去了。”
从瓜岛撤退吗？善后工作又怎么收拾呢？那就必然要在布干维尔岛或中部新几内亚岛迎击盟军。兵败如山倒，尤其不妙。
前方士兵正在流血、正在饿死，后方领导集团也正在翻锅一样地争吵。
田中新一气急败坏，打了佐藤贤了军务局长两个耳光。在另一个会上，甚至当着东条英机的面大骂：“马鹿野郎”（日本人常用的骂人话，意即混蛋）。当天晚上，东条下令撤消田中的职务，把他调到缅甸前线去当师团长。
战争开始只有一年，不但石油和钢铁，就连飞机和运输船舶也不足，这使日本军国主义头子们大伤脑筋。严酷的现实与开战前他们的乐观估计大不一样。军内统帅阶层的船舶争夺，具体说明了日本的国力已经不允许把太平洋战争打下去了。对这一点，当时不但东条英机知道，军部知道，政治家知道，最清楚的莫过于财界的资本家们。开战仅仅一年，国力已经达到破灭的边缘了。
当年目空一切的东条，到现在已头昏脑胀无计可施了。
11月12日，日本大本营作战部第二课长服部从瓜岛回到东京，立即向东条报告，他把失败的原因归结为以下9项：
1、盟军完全掌握了制空权。
2、盟军准备好了炽烈而巧妙的火力，日军则是赤手空拳。
3、盟军地面和空中协同攻击，日军一切皆无。
4、日本指挥官能力薄弱。
5、士气呈麻痹状态。第二师的战斗力下降到1/4，卫生状态尤其不好。晒不着太阳，都发高烧，患疟病痢疾的人甚多，营养失调，运送一个伤病员需要4人至8人。
6、现虽有榴弹炮、野炮、山炮、高射炮共46门，但是弹药严重不足。