在被發現之前，美軍其實有機會發現前方的危險
。
確認探測到的是美軍驅逐艦之後，“保定”號與“唐山”號都向旗艦，即“北京”號發出了電報，而美軍戰艦上的無線電監聽與測向裝置也截獲了兩艘輕巡洋艦發出的信號，只是沒有引起重視
。
如果第31艦隊在這個時候轉向，那麼暴露的僅僅是那兩艘驅逐艦。
可惜的是，斯普魯恩斯當時不在指揮崗位上，而代替他執勤的克拉克少校正在安排天亮後的偵察與攻擊任務。
直到被“保定”號與“唐山”號的雷達探測到，克拉克才把斯普魯恩斯叫了起來。
此時，戰鬥編隊與第31艦隊的距離不足一百公里。
其實，這個時候，第31艦隊仍然有機會迴避，即立即轉向，而戰鬥編隊的最大航速並不比第31艦隊高，且無法以追高速度持續追擊，顧祝同也不會笨到去追擊第31艦隊，因爲只要天亮，美軍的艦載機就能出動，而他指揮的戰鬥編隊就算獲得防空掩護，也沒有多少機會逃走。
問題是，斯普魯恩斯沒有下令轉向。
當時，斯普魯恩斯顯然沒有認識到局面的嚴重性。
根據克拉克少校回憶，在確認前方有兩艘中國海軍的輕巡洋艦後，斯普魯恩斯依然下令追擊，並且提到，那很有可能是兩艘留下來斷後的戰艦，而中國艦隊肯定正在駛往、或者已經進入伊莎貝爾水道。當時，斯普魯恩斯只命令那兩艘驅逐艦盯住中國巡洋艦，而沒有做出其他調整。
兩點不到，戰鬥打響。
在接到顧祝同的命令後，“保定”號與“唐山”號率先開火，隨即那兩艘美軍驅逐艦也開火還擊。
顯然，驅逐艦根本不是輕巡洋艦的對手。
雖然中國海軍的輕巡洋艦也存在噸位偏小的問題，但是在火力上，輕巡洋艦肯定比驅逐艦強得多。“保定”號與“河北”號同屬於在戰前開工建造的“大同”級，即“南通”級的改進型，兩艦都有四座三聯裝一百五十毫米艦炮，此外還各有八門一百二十毫米艦炮，比任何一種驅逐艦都要強得多。
炮戰打了不到十分鐘，兩艘驅逐艦就敗下陣來，其中一艘在撤退途中沉沒。
兩點半，“保定”號的雷達率先探測到了美軍艦隊裡的航母，隨後“唐山”號也確認美軍艦隊裡有兩艘航母。
收到消息，顧祝同立即命令四艘大型巡洋艦與防空巡洋艦加速前進。
直到這個時候，第31艦隊都沒有減速，斯普魯恩斯只調派了兩艘重巡洋艦去對付那兩艘中國海軍的輕巡洋艦。
與重巡洋艦交火，輕巡洋艦就佔不到便宜了。
雖然在理論上，輕巡洋艦的主炮對重巡洋艦也有足夠的威脅，畢竟重巡洋艦隻是加強了火炮威力的輕巡洋艦，在防護上與輕巡洋艦沒有太大的差別，而第31艦隊裡的四艘“北安普敦”級重巡洋艦，實際上是“彭薩科拉”級的小改型，主要就是用三座三聯裝主炮炮塔取代了四座混裝炮塔，在主炮數量減少一門的情況下，其他性能有了大幅度提高，屬於戰鬥力較均衡的重巡洋艦。但是在炮戰中，重巡洋艦上的八英寸艦炮擁有壓倒性的火力優勢，能夠在任何距離上重創輕巡洋艦。
說白了，只要被一枚八英寸炮彈擊中，輕巡洋艦就吃不消，而重巡洋艦能承受多枚一百五十毫米炮彈的打擊。
更重要的是，美軍巡洋艦上也有雷達。
炮戰從二萬一千米打到一萬六千米。最初幾分鐘內，兩艘美艦的火力優勢十分明顯，主要就是輕巡洋艦上的一百五十毫米艦炮的有效射程不到二萬米，而重巡洋艦上的八英寸艦炮的有效射程在二萬米以上。
所幸的是，在遠距離炮戰中，命中率不會高到哪裡去。
打到一萬六千米的時候，雖然兩艘輕巡洋艦已能還手，而且一百五十毫米艦炮的射速要比八英寸艦炮高得多，彌補了炮彈威力不足帶來的問題，但是美軍的優勢依然明顯，畢竟兩艘輕巡洋艦都承受不了打擊。
三點不到，兩艘輕巡洋艦敗下陣來。
“保定”號首先中彈，在艦首的主炮炮塔被摧毀之後，如果不是炮長及時下令向彈藥庫注水，恐怕“保定”號就完蛋了。“唐山”號的處境稍微好一些，因爲它在美軍戰艦的西北方向上，並沒有直接與美軍交戰。更重要的是，兩艘美軍重巡洋艦首先集中炮火打擊了擋在第31艦隊前進方向上的“保定”號，只用副炮向“唐山”號開火，直到“保定”號帶傷退出戰鬥，兩艘美艦的主炮才指向“唐山”號。所幸的是，“唐山”號沒有堅持，而是立即跟隨“保定”號撤退。
有趣的是，斯普魯恩斯在這個時候下達了一道命令，讓兩艘重巡洋艦歸隊。
也就是說，斯普魯恩斯沒有讓重巡洋艦去追擊中國戰艦。
要知道，在“唐山”號轉向撤退的時候，顧祝同率領的四艘戰艦就在其西邊大約二十五公里處。如果斯普魯恩斯沒有把兩艘重巡洋艦召回，那麼在十多分鐘之後，這兩艘重巡洋艦上的雷達就能探測到顧祝同率領的四艘戰艦。
顯然，斯普魯恩斯錯過了最後的機會。
三點二十分，“北京”號上的雷達探測到了正在向東航行的美軍重巡洋艦，只是距離太遠，還無法開火。
這個時候，美軍重巡洋艦並沒有探測到“北京”號。
主要是，美軍對海搜索雷達的性能比中國海軍的差了一些，而且“保定”號在“北京”號的到來方向上。“北京”號上的雷達操作員知道“保定”號的確切位置，因此在處理雷達信號的時候，可以把“保定”號反射的信號排除在外，而美軍巡洋艦上的雷達操作員並不知道具體情況。
可以肯定，當時就算美軍戰艦探測到了“北京”號，也無法做出準確判斷。
三點四十五分，“北京”號九門主炮打出的齊射，把這場夜間海戰推向高潮。
首先遭到攻擊的，正是在之前擊傷了“保定”號與“唐山”號的兩艘美艦，即“路易絲維爾”號與“芝加哥”號重巡洋艦。
此時，美艦已經發現了“北京”號。
有趣的是，在用雷達探測到了中國海軍的四艘大型巡洋艦與防空巡洋艦之後，美艦依然沒有做出準確判斷，認爲那是幾艘輕巡洋艦。直到“北京”號打出的炮彈落在“路易絲維爾”號附近，美軍艦長才猛然發現，他們遭到了重巡洋艦、或者說是大型巡洋艦的攻擊，對手不是輕巡洋艦。
消息立即送到斯普魯恩斯手上，而這個時候，他所在的“約克城”號航母離“北京”號只有不到四十公里。
當時，“約克城”號航母上的雷達並沒啓動。
也就是說，“約克城”號根本沒有探測到中國戰艦，而“北京”號的對海搜索雷達早就發現了“約克城”號。
遭到大型戰艦攻擊，這可不是開玩笑的事情。
要知道，“約克城”級航母上並沒有配備對海作戰的大口徑艦炮，最有威力的只是五英寸高平兩用炮。
即便是四艘重巡洋艦，也絕對不是中國海軍的大型巡洋艦與防空巡洋艦的對手。
斯普魯恩斯的第一反應，就是把另外兩艘重巡洋艦派上去，並且讓留在後面的輕巡洋艦跟上來。
當時，斯普魯恩斯沒有想到撤退。
要知道，所有跡象都表明，中國艦隊就在前面不遠處，而且再過三個小時，天色就將放亮，到時候艦載航空兵就能出動了。
問題是，第31艦隊能夠堅持三個小時嗎？
四點不到，炮戰進入到關鍵階段。
雙方都投入了四艘戰艦，而且都有能力打垮對手，只是主動權不在美軍手上，優勢也不在美軍這邊。
雖然“北京”級大型巡洋艦與“南京”級防空巡洋艦在設計的時候，並不是爲了進行炮戰，但是兩種戰艦上配備的主炮，卻是當時世界上最先進的中等口徑艦炮，不管在威力、射程還是精度上，都優於當時任何一種重巡洋艦上的八英寸艦炮。更重要的是，中國戰艦上有性能先進的炮瞄雷達，而且在擊敗日本海軍之後，爲各艘大型戰艦配備了以炮瞄雷達爲核心的雷達火控系統。
美軍戰艦上也有炮瞄雷達，但是沒有火控系統。
最大的差別，就是中國戰艦上的各個炮組，都能夠直接利用炮瞄雷達提供的參數，不再需要統一指揮，而且雷達測出來的數據都是即時發給炮長的，讓炮長能用最短的時間瞄準目標。沒有火控系統的話，炮瞄雷達測到的數據將首先發給槍炮長，然後由槍炮長統一指揮所有炮組。
顯然，火控系統的最大作用就是提高了主炮的作戰效率。
在巡洋艦這種級別的炮戰中，誰的開火速度快，誰就有優勢。
理論上，八英寸艦炮的射速要比二百八十毫米與二百四十毫米艦炮高得多，但是在實戰中，中國海軍的四艘巡洋艦反而在射速上佔了上風，主要就是火控系統大幅度提高了炮擊效率。
射速比中國戰艦慢，美軍戰艦自然佔不到半點便宜。