山川舰队在炮战后，又接到侦察机的报告，得知北方有敌舰警戒，于是便向左转换方向，杀向美军北区巡逻队。此时此刻，美军警戒布势的最大弊病充分暴露无余，南北两区的巡逻舰相距较远，当遭到日军攻击后无法迅速汇合和联合作战。南区被打得混头转向的美舰，也忘了将情况及时通报北区的巡逻舰队，因而当日舰北上时，北区警戒的美军舰队仍然在按照原队形航行。
黑暗中日舰队因故障在变换航向时分成了两队，结果无意中形成对美军舰队的钳形两面夹击这势。日军“鸟海”号重巡洋舰接近美舰后，立即打开探照灯捕捉目标，并开始发射鱼雷展开炮战。刹那间，海面上戈光弹弹道穿梭往来，在茫茫的夜空中交织出了一道道光怪陆离的图案。
可笑的是最初美舰还以为是友军舰队，遂打开识别信号灯，这正好给日舰指示了攻击的目标。冲在最前面的日军旗舰“鸟海”号，发射鱼雷命中了美“阿斯托里亚”号重巡洋舰。然后，日军战舰一齐打开探照灯，强烈的灯光照得美军水兵睁不开眼。顷刻之间，所有日军战舰的主、副炮一齐开火，猛烈的炮火使美军战舰几乎无处躲藏。日军的奇袭再度成功。数分中的炮战中，美军的重巡洋舰“文森斯”号、“昆西”号和“阿斯托里亚”号均遭重创，相继沉没。
这时的形势显然对日军舰队十分有利，面对美南区巡逻队早已溃不成军，北区巡逻队几乎全军覆没，山川若乘胜进击，全歼瓜岛的美军运输舰船，真可谓囊中取物，易如反掌。然而日军的指挥官山川中将此时却顾虑重重，夜战中虽然日军取得了很大的战绩，可是舰船兵力散开，队形已乱，若要再恢复战斗队形，将需要用3个小时左右的时间，到时天就亮了，如果再冒险攻入美军登陆场，定会遭到来自美军特混航空母舰编队的舰载机的袭击，到时全军覆没的可能就是自己。鉴于此情况，山川放弃了乘胜进击的机会，而是果断地下达了撤退的命令。至此，美日两军在瓜岛的第一次海战就这样结束了。
海战的结果，日军取得了压倒性的胜利，共击沉美巡洋舰4艘，重创美巡洋舰1艘，驱逐舰1艘，击伤美军1700余人，己方战舰无一重伤，可谓大获全胜。日舰队在返航的途中又击沉了美警戒驱逐舰“拉尔夫-塔尔伯特”号，但“加古”号巡洋舰在驶到离基地70海里处时，被美军S-44号潜艇击沉。日军死亡仅58人，伤53人。
这次交战日军的战绩虽丰，但却没有对美军的关键所在——运输舰船，进行毁灭攻击，这样一来美军登陆部队的筋骨并没有受到损伤。天明后，毫无损伤的美军运输船终于抵达瓜岛，卸载各种物资。给瓜岛上1.6万名海军陆战队送来了可供30天使用的粮食和弹yao，再加上陆战队手上原有的4个基数的弹yao。这样一来美军登陆在瓜岛上的陆战队就具备了打一场持久战的能力。一场漫长而血腥的瓜岛争夺战在所难免了。
铁底湾海战的失利，让美军高层感到震惊，尼米兹上将对此极为不满，下令必须严查失败的原因。他不理解己方战舰虽具备雷达和空中侦察的有利条件，但遇事还如此惊惶失措，抵抗会如此无力，他认为必须从根本上找原因。同时也把尽快修复瓜岛上的机场，投入战斗使用放在了首要的位置。
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