В 0840, еще до того как американцы сомкнули строй для боя, японские крейсера открыли огонь по «Ричмонду» с дистанции 100 каб., уже вторым залпом добившись накрытия. Затем их внимание переключилось на «Солт Лейк Сити» - самого сильного оппонента, к тому же досадившего японцам у мыса Эсперанц. В 0842 «Свэйбэк Мару» (качающийся корабль), как наполовину по-английски и наполовину по-японски называли американцы свой тяжелый крейсер за его стремительную бортовую качку, стал отвечать, попав в «Нати» на третьем и четвертом залпах с дистанции 90 каб. На японском флагмане начался пожар, правда, быстро потушенный (скорее всего попаданий не было, а за пожар американцы приняли вспышки при выстрелах).
Хосогая продолжал идти на сближение, чтобы поскорее реализовать свое преимущество в артиллерии и торпедном вооружении. Макморрису ничего не оставалось делать, как забыть про транспорты и начать отход. В 0845 он приказал круто повернуть на 40° влево и увеличить ход до 25 узлов. Вдруг «Нати» прекратил стрельбу. Невнимательность его механиков привела к тому, что при увеличении хода парогенераторы оказались без пара (их рано переключили на котел, еще не набравший давления), и корабль на время лишился электроэнергии. Орудия застыли почти на крайнем угле возвышении, зато «Майя» стрелял исправно. В 0846 «Нати» выпустил 8 торпед, которые из-за большой дистанции и резкого отворота американцев прошли мимо. Спустя 4 минуты в «Нати» попали два 203-мм снаряда: один порвал антенну на грот-мачте, а другой взорвался в носовой надстройке с правого борта, убив и ранив несколько человек. Еще через 2 минуты попал и третий снаряд - в торпедное отделение, где снова были жертвы. Осколки от близких разрывов засыпали мостик.
«Ричмонд» стрелял очень редко, поскольку дистанция в 90 кабельтовых была для него чрезмерной. Оба американских крейсера отчаянно зигзагировали, пытаясь сбить японцам пристрелку.
Около 0902 «Тама» вышел из общего строя, повернув вправо почти на 8 румбов. Очевидно он хотел занять позицию между американцами и своими транспортами. За ним тот же маневр сделал «Абукума». Только тяжелые крейсера с 4 эсминцами продолжали идти на юг, чтобы отрезать американцев от их баз. После поворота на SW «Майя» в 0807 выпустил 8 торпед практически вдогонку противнику, которые, естественно, не попали. Но в 0910 он добился первого попадания 203-мм снарядом в середину «Солт Лейк Сити» с правого борта - прямо в самолет (погибло 2 человека). Загоревшийся «кингфишер» пришлось сбросить в воду. Через 10 минут «Нати» и «Солт Лейк Сити» получили попадания. Первый сбавил ход и начал гореть, а второй, наоборот, был залит каскадами воды от снаряда, попавшего ниже ватерлинии. Очевидно в «Нати» попал 127-мм с эсминца: он прошел через орудийный порт башни №1 и, взорвавшись, перебил там всю прислугу. Еще один такой же снаряд разорвался над палубой и убил несколько человек (согласно японским данным эти попадания имели место два с лишним часа спустя).
Видя клубы дыма над японским флагманом, контр- адмирал Мокморрис решил, что пора заняться транспортами и повернул вправо - на север. Но в 0930, когда главная батарея на «Нати» снова вошла в строй, он вместе с «Майя» и эсминцами кинулся в погоню. Тем временем крейсер «Тама» занял позицию справа от американцев на дистанции 90 кабельтовых, чтобы корректировать огонь своих тяжелых крейсеров. Но «Солт Лейк Сити» восемью залпами отогнал его прочь. В 1002, как раз в неподходящий момент, когда американский тяжелый крейсер стали накрывать залпы с «Нати» и «Майя», на нем начались проблемы с рулевым приводом от собственной стрельбы вышел из строя золотник в гидроприводе рулевой машины. Угол перекладки руля ограничился 10 градусами, но кормовые башни продолжали вести интенсивный огонь. «Нати» и «Майя» сближались постепенно, то и дело маневрируя, чтобы давать полные залпы.
Около 200 снарядов упало в пределах кабельтова от «Солт Лейк Сити», пока один 203- мм бронебойный в 1010 не попал в палубу и не вышел из борта под водой. Теперь о перехвате транспортов не могло быть и речи - Макморрису надо было спасать свои корабли. Американцы в 1018 поставили мощную дымовую завесу и под ее прикрытием начали отход на SW. Японцы не имели радаров и стреляли только тогда, когда корабли противника появлялись в разрывах густого дыма. «Майя» выпустил 4 торпеды, за ним «Нати» и «Абукума», но дистанция была очень большой. Американцы даже не увидели следов от торпед. Макморрис приказал увеличить ход до 30 узлов и пошел по направлению к Камчатке: «Ричмонд» впереди, «СолтЛейк Сити» в 15 кабельтовых за ним, а эсминцы, которые продолжали ставить завесу, используя все средства, держались на левом траверзе от концевого крейсера и чуть сзади. С каждой минутой дистанция от Адака увеличивалась, а до Парамушира сокращалась. Так что у японцев становилось больше шансов дождаться своих самолетов, чем у американцев.