Внимание японцев было отвлечено в ложных направлениях, и десантные силы Уилкинсона утром 1 ноября 1943 года вошли в бухту Императрицы Августы. Несмотря на упорное сопротивление находившихся в районе высадки 300 японцев и воздушные налеты японской авиации из Рабаула, операция быстро и успешно развивалась. К наступлению темноты 3-е соединение десантных сил успело высадить 14000 человек и выгрузить 6000 т грузов. Вечером того же дня транспорты ушли, а четыре минных заградителя начали постановку мин у занятого побережья.
Японский 8-й флот отреагировал на высадку десанта почти так же, как и 15 месяцев назад, когда американская пехота высадилась на остров Гуадалканал: Из Рабаула к острову Бугенвиль вышло наспех сформированное соединение из крейсеров и эсминцев под командованием контр-адмирала Омори с задачей уничтожить американские транспорты. Соединение японских кораблей было обнаружено патрульными самолетами с Соломоновых островов. Они быстро доложили о противнике в штаб командования силами в южной зоне Тихого океана и продолжали непрерывно следить за японским соединением. К 02.00 2 ноября Омори в условиях полной темноты, шквального ветра и дождя подошел к побережью у мыса Торокина с двумя тяжелыми крейсерами "Мёко" и "Хагуро", на флангах которых находились легкие крейсера "Агано" и "Сэндай". За каждым из легких крейсеров следовали три эсминца.
Личный состав 39-го оперативного соединения был сильно утомлен после только что проведенных обстрелов неприятельских позиций, однако адмиралу Хэлси ничего не оставалось, как послать это соединение в бухту Императрицы Августы. Адмиралу Мериллу следовало быть осторожным, потому что 39-е оперативное соединение было единственным в южной части Тихого океана. Вместо решительного боя с риском потерять крейсера он вынужден был ограничиться действиями, имеющими своей целью отогнать противника от захваченного американцами побережья. Мерилл решил послать дивизионы эсминцев для нанесения торпедного удара по флангам боевого порядка японских кораблей. Четыре легких крейсера Мерилла должны были прикрывать вход в бухту и огнем 150-мм орудий вынудить противника отойти в море.
В 02.27, когда 39-е оперативное соединение подходило к бухте Императрицы Августы курсом 345° в трех группах и в строе пеленга, флагманский корабль "Монпелье" обнаружил радиолокатором корабли противника на дистанции 18 миль к северо-западу, которые следовали в южном направлении. После поворота "все вдруг" американские корабли взяли курс на север, и поэтому все группы оказались в обычном для американцев строе кильватера, который они приняли в ночном бою. Как только противник обозначился на экранах радиолокаторов, шедший в голове колонны 45-й дивизион эсминцев отвернул влево, чтобы занять позицию на фланге северной группы противника. После этого крейсера Мерилла изменили курс поворотом "все вдруг" на 16 румбов, а 46-му дивизиону эсминцев было приказано атаковать южную группу противника.
Находясь справа по носу японского крейсера "Сэндай" на дистанции 5500 м, корабли 45-го дивизиона выпустили половину своих торпед и сделали поворот "все вдруг". Ни одна из торпед не попала в цель, так как японские корабли изменили курс. Крейсер "Сэндай", заметивший американские крейсера, дал по ним торпедный залп и предупредил Омори, который приказал своим группам повернуть на юг и перестроиться в боевой ордер. Когда Мериллу доложили, что противник изменил курс, он приказал крейсерам немедленно открыть огонь.
Сорок четыре орудия американских кораблей начали стрельбу по ближайшей цели из северной группы японских кораблей, которые в свою очередь открыли ответный огонь. Японские снаряды ложились недолетами и впереди по курсу. Во время маневрирования при попытке уклониться от мощного огня американских 150-мм орудий столкнулись два японских эсминца, а крейсер "Сэндай" загорелся и выкатился из строя с заклиненным рулем. Американцы явно выиграли первую фазу боя, но корабли 45-го дивизиона после отворота потеряли друг друга. Потребовалось около часа, чтобы собрать их и снова ввести в бой.
Японские корабли изменили курс, и поэтому 39-е оперативное соединение в 02.52 поворотом "все вдруг" легло на курс 200°, чтобы уменьшить дистанцию до противника. В это время обнаружилось, что эсминцы 46-го дивизиона повернули раньше времени и поэтому оказались на линии огня крейсеров. В спешном движении на запад эсминец "Фут" пересек курс крейсеров так близко, что крейсер "Денвер" во избежание столкновения вынужден был отвернуть влево.
Чтобы не мешать действиям 46-го дивизиона и приблизиться к группе японских кораблей во главе с крейсером "Сэндай", в 03.02 американские крейсера повернули на север. Но вскоре они вынуждены были резко повернуть вправо, чтобы избежать столкновения с неподвижно стоящим кораблем. Это снова был эсминец "Фут". Продолжая движение на запад, он оказался жертвой торпеды, выпущенной крейсером "Сэндай". В 03.10 адмирал Мерилл еще раз повернул свои корабли на юг, закончив, таким образом, описывать петлю в виде огромной восьмерки. Управляя кораблями по радиотелефону, Мерилл держал их в отличном строю, все время меняя курсы и не раз проходя через линию огня неприятеля, заставляя его снова и снова вносить поправки на приборы стрельбы.
Чтобы использовать преимущества своих 200-мм орудий, адмирал Омори стремился вести бой на больших дистанциях, но ему с трудом удавалось следить за местонахождением американских кораблей. Он начал описывать полную петлю, чем ввел в заблуждение группу во главе с крейсером "Агано", которая не понимала, что от нее требуется. Когда он снова повел корабли на юг, вокруг них начали падать американские 150-мм снаряды. Эсминец из группы "Агано" столкнулся с крейсером "Мёко" и повредил себе носовую часть. Шесть снарядов, из которых четыре не взорвались, попали в крейсер "Хагуро". К этому времени над американскими крейсерами появились японские самолеты, которые сбрасывали осветительные ракеты. Осветительные ракеты и снаряды превратили ночь в сумерки, лишив Мерилла преимуществ, которые он имел благодаря радиолокаторам.
Теперь Омори наконец увидел корабли Мерилла и продолжал движение на юго-восток, чтобы немного уменьшить дистанцию. Крейсера "Мёко" и "Хагуро" дали торпедный залп и открыли артиллерийский огонь. Три снаряда попали в крейсер "Денвер", и Мерилл был вынужден отвернуть, прикрываясь дымовой завесой. Омори, ошибочно считая, что он потопил несколько тяжелых крейсеров, также отвернул и отдал приказ об общем отступлении. Поступая так, он отказался от выполнения своей основной задачи: уничтожить американские транспорты. Слишком переоценивая силы противника, Омори считал, что сделал уже достаточно; к тому же на рассвете он хотел находиться за пределами дальности действия авиации, базирующейся на Соломоновы острова.
Пока происходила дуэль между Мериллом и Омори, 46-й дивизион эсминцев терпел одну неудачу за другой. Один эсминец вышел из строя еще в начале боя. Остальные три корабля маневрировали, чтобы избежать обнаружения под осветительными снарядами противника, а также чтобы не мешать стрельбе своих крейсеров; при этом эсминцы "Спенс" и "Тэтчер" столкнулись. Оба корабля получили тяжелые повреждения, однако дивизион продолжал двигаться на запад на большой скорости, пока не занял положение на дистанции 6000 м справа по носу центральной группы противника. Это была очень выгодная позиция для торпедной атаки японских тяжелых крейсеров. Но в этот момент "Спенс" получил попадание снаряда ниже ватерлинии и временно уменьшил ход. Вслед за этим событием информационный пост по ошибке донес о японских крейсерах "Мёко" и "Хагуро" как о своих собственных. Не раздумывая, командир дивизиона повернул на север к японскому крейсеру "Сэндай", который все еще циркулировал с заклиненным рулем, но вел артиллерийский огонь. Два эсминца 46-го дивизиона выпустили по нему торпеды и, очевидно, попали, но "Сэндай" по-прежнему оставался на плаву и двигался на северо-запад в сопровождении двух поврежденных при столкновении эсминцев.
Начало рассветать, и поэтому Мерилл приказал своим дивизионам эсминцев прекратить преследование кораблей противника и идти в точку рандеву, чтобы лучше организовать оборону против неизбежных атак с воздуха. Оставив три эсминца для оказания помощи торпедированному "Футу", он с остальными кораблями 39-го оперативного соединения направился на юг. В 08.00 над американскими кораблями появилось около 100 бомбардировщиков авианосной авиации под прикрытием истребителей из Рабаула. Благодаря точному зенитному огню и отличному маневрированию американцам удалось сбить 17 атакующих самолетов и избежать попаданий, не считая двух незначительных. Раньше чем самолеты противника появились для повторной атаки, с Соломоновых островов прилетели американские истребители, которые отогнали самолеты противника, сбив еще восемь из них,