Во время обеих атак эсминцев Нисимура упрямо шел вперед, не пытаясь уклоняться и не обращая внимания на подбитые корабли. Казалось, что его единственной целью было прорваться в залив Лейте, игнорируя крупные силы, которые Олдендорф развернул поперек пролива, чтобы остановить японцев. Американский адмирал на левом фланге поставил 3 тяжелых и 2 легких крейсера, на правом — 1 тяжелый и 2 легких крейсера. В центре находились 6 линкоров и дивизион эсминцев. Все это немного походило на военную игру в академии. Вражеская колонна сократилась до линкора «Ямасиро», крейсера «Могами» и эсминца «Сигурэ». Она была слишком маленькой ножкой к поперечной перекладине «Т», которой Олдендорф готовился накрыть противника. В 1905 адмирал Того проделал это с РожДественстким (!) в Цусимском проливе, и с тех пор сотни морских офицеров надеялись это повторить.
В 3.23 на экранах американских радаров начали показываться вражеские корабли. Олдендорф в 3.51 приказал крейсерам открыть огонь, так как они находились на 2 или 3 мили ближе к противнику, чем линкоры. Через 2 минуты «Ямасиро» снизил скорость до 12 узлов, но продолжал следовать на север, стреляя по видимым целям, так как не имел артиллерийского радара. Нисимура отважно шел прямо под сосредоточенный артиллерийский огонь. За кормой у него держался «Могами», а «Сигурэ» — на правой раковине. В 3.52 он передал последний приказ «Фусо», требуя, чтобы тонущий линкор следовал на полной скорости.
«Вест Вирджиния», «Теннесси» и «Калифорния», оснащенные новым артиллерийским радаром Mark-8 были основными действующими лицами в бою линкоров. «Вест Вирджиния» открыл огонь в 3.53 с дистанции 22800 ярдов. Эти 3 линкора выпустили 225 тяжелых снарядов, делая 6-орудийные залпы, чтобы сберечь уже кончающиеся боеприпасы. Остальные 3 линкора имели старый радар типа Mark-3 и потому испытывали трудности в обнаружении целей. «Мэриленд» сориентировался по всплескам снарядов «Вест Вирджинии» и сделал 48 выстрелов. «Миссиссиппи» дал только 1 залп, а «Пеннсильвания», имевший примитивный радар, не стрелял вообще.
Верткий везунчик «Сигурэ» уклонился от снарядов, за весь бой эсминец получил только 1 попадание. «Ямасиро» и «Могами» получили свои порции 16″ снарядов с линкоров и 6″ с крейсеров. Они кое-как отстреливались. «Могами» продержался до 3.55, потом его капитан решил, что пора уходить. «Ямасиро» простоял до 4.00. Обреченный линкор навел свои 14″ орудия на ближайшую группу американских кораблей — правофланговые крейсера Каунта Берки. Его 6″ батарея вела огонь по отходящим эсминцам, но попаданий он добился только в «Альберт У. Грант».
В 4.00, когда прозвенели склянки, отмечая конец «собаки», битва достигла апогея. Последние 10 минут «Ямасиро» шел зигзагом на север, яростно отстреливаясь, но теперь начал склоняться через запад на юг. Он горел так ярко, что на фоне охватившего линкор пламени стали видны даже 5″ установки. «Сигурэ» повернул на юг, чтобы удрать. «Могами», который сделал то же самое, в 4.01 выпустил торпеды, которые прошли мимо. Через минуту снаряд с «Портленда» попал в мостик японского крейсера и перебил всех офицеров, включая капитана. Новые попадания пришлись в машинные и котельные отделения, и «Могами» почти остановился. ДЭМ 56 капитана 1 ранга Роланда Смута бросился в атаку и в 4.04 выпустил 13 торпед в «Ямасиро». 2 торпеды «Ньюкомба» попали в обломки линкора.
Американские линкоры повернули с OSO на W все вдруг. Это маневр сократил дистанцию до неприятеля и огонь линкоров стал более точным.
«Самое прекрасное зрелище, которое я когда-либо видел», — вспоминал потом капитан 1 ранга Смут. — «Изогнутые линии трассеров в темноте походили на длинную вереницу освещенных железнодорожных вагонов, бегущих по холму». Однако это зрелище не затянулось. В 4.09 адмирал Олдендорф получил сообщение «Альберта У. Гранта», что его обстреливают свои. Он приказа прекратить огонь, чтобы дать эсминцам Смута возможность отойти. Нисимура и все моряки на борту «Ямасиро» восприняли это как божий дар им их императору. Несмотря на все полученные повреждения, линкор сумел увеличить скорость до 15 узлов, повернул на 90° влево и начал отходить на юг. Однако ему оставалось жить менее 10 минут. В 4.11 торпеды «Ньюкомба» попали в цель, и через 8 минут крен линкора увеличился до 45°. Капитан приказал покинуть корабль, но линкор перевернулся и затонул, унеся с собой большую часть экипажа.4 Старший из спасшихся офицеров лейтенант Эдзаки во время интервью в 1961 утверждал, что линкор затонул после 4 торпедных попаданий, а снаряды нанесли только поверхностные повреждения.