出了瓜島水域。就這樣山川艦隊奇蹟般地在光天化日之下，順利地透過了美軍嚴加巡邏偵察的布干維爾海峽。
越過布干維爾海峽後，山川用燈光星號向各戰艦下達了一個簡單而具體的戰鬥計劃，首先對停泊在瓜島錨地的美艦進行魚雷攻擊，然後橫渡圖拉吉港區用艦炮和魚雷攻擊那裡的美艦船。艦隊將從薩沃島以西高速進入，從薩沃島以東撤出。
夜幕徐徐降臨，很快進入了黑暗。8日晚上九時左右，日本的5艘重巡洋艦再次派出水上飛機，前往目標水域進行戰術偵察，並負責投擲照明彈，接著“鳥海”號一馬當先，日軍各戰艦尾隨在後，以間距1000米的距離，排成單縱列，以28海里的速度向前衝去。艦首掀起浪花，風打在桅杆上護航作響。美軍仍未發現有艦隊攻來。在黑暗中的日軍雖然沒有雷達，可是他們的許多士兵卻具有非凡的夜間目測能力。這是以種在實戰中鍛煉出來的對環境的適應能力。
“右30度，看到艦影，距離1萬米。”“鳥海”號重巡洋艦上的瞭望員高聲喊道。這是美軍正在巡邏的驅逐艦。
“右炮準備炮戰。”巨炮旋轉，瞄準艦影。但山川中將還不希望此時與美軍接戰，因而下令改變航向左30度，速度降低到22海里，企圖悄悄穿過去。雙方軍艦越來越靠近了，但美驅逐艦並未有所反應。從這裡便可看出這時的美軍戰艦缺少實戰經驗，夜戰能力太弱。這回幸運女神向山川艦隊送來秋波，山川艦隊正好航行在美軍兩艘驅逐艦巡邏區的交接點上。
9日凌晨1時30分，日艦再度提高航速。這時日本山川中將已經形成了最後的作戰決心：主要目標是美運輸船，而掩護登陸場的美巡洋艦是最危險的力量，在攻擊美運輸船之前，必須先消滅美巡洋艦。鑑於海區狹窄，夜裡能見度較差，不利於全艦隊打堂堂之陣，於是山川下令各艦自行指揮，各自為戰。
“右舷9度，重巡洋艦3艘，向左前進。”“鳥海”號艦橋內傳來了瞭望員的喊聲。這正是美軍主力，前面的是重巡洋艦“堪培拉”號，後面的是重巡洋艦“芝加哥”號，航行在最外面的是驅逐艦“帕特森”號。
“鳥海”號重巡洋艦艦長早川大佐衝山川中將狡黠地一笑，接著轉向話筒：“朝右舷發射魚雷！——放！”
航行在最外面的是驅逐艦“帕特森”號，首先發現了日艦隊，它當即用無線電發出警報：“警報——警報，未判明艦隻正在進港！”但為時已經太晚，一架日本偵察機凌空投下了照明彈，把美軍戰艦“芝加哥”號和澳艦“堪培拉”號的艦身照得一清二楚。
“照射！艦炮射擊開始！”艦橋中的早川大佐一聲令下，“鳥海”號上的探照燈突然亮起，並捕捉住了航行中的美軍艦隊中的“堪培拉”號。霎時間，“鳥海”號上的10門主炮同時開火。
就在這時，“堪培拉”號發現了一條直駛過來的雷跡，船長哥丁上校還以為是潛水艇發射的，高聲叫道：“左滿舵！”在海面疾馳而來的雷跡，發出閃亮的夜光，在黑暗中顯得如此的耀眼。“堪培拉”號艦身急轉，可是遲了一步。只聽得“轟”的一聲巨響，在艦的中央部位升起一股巨大的水柱。一群人被拋到空中。隨著又是一聲爆炸，艦身突然向左傾斜。哥丁艦長此時仍認為是潛艇攻擊，想到後面還有“芝加哥”號救援，對該艦的受傷程度並不怎麼在意。然而，就在這時，從左側黑暗中，連續發出閃光，並傳來巨大的炮擊聲，他這才意識到日本的艦隊就在附近。
“左舷炮戰。快！快！”哥丁艦長立即對著通訊話筒高聲大喊。
可是當主炮正向左旋轉時，日艦射擊的炮彈已呼嘯而來，瞬間就有24發炮彈打在“堪培拉”號的船舷上。當“堪培拉”號頑強地回擊了兩條魚雷和幾發炮彈後，船上的主機就不能轉動了，大火蔓延到整個甲板上，甲板上到處都是倒斃的屍體，艦長也被擊斃。一些傷重而生命垂危的水兵仍在掙扎著把烈火烤得發熱的炸彈推到海里去，但“堪培拉”號已經不克救藥，最後還是在幾個小時後沉入了大海。
跟隨在“堪培拉”號後面的“芝加哥”號也沒有交上好運，艦首被魚雷擊中，爆炸掀起的水柱使前甲板湧滿了海水。同時該艦前桅又被日軍巡洋艦發射的一發炮彈擊中，艦面彈片橫飛，死傷慘重。“芝加哥”號重巡洋艦一彈未發，就脫離編隊撤出了戰鬥。“帕特森”號驅逐艦也被日艦擊傷。日艦隊初戰告捷，於1時50分撤離戰鬥北上。
山川艦隊在炮戰後，又接到偵察機的報告，得知北方有敵艦警戒，於是便向左轉換方向，殺向美軍北區巡邏隊。