这时，日军舰只和运输船密密麻麻地排在海峡两边，盟国军舰被围困在日舰船中央。驱逐舰“司徒华”号首先发射鱼雷，“帕罗特”号也猛烈开火。尽管盟国军舰连连发射鱼雷，舰炮与机关枪同时开火，致使日舰周围水柱四起，但日舰还击的炮火也同样没有停止。盟军旗舰“司徒华”号被一颗8英寸的炮弹击中舷仓，被另一颗6英寸的炮弹炸掉了前面的一艘救生艇，还炸伤了领航员。“帕罗特”号的舵机在此关键时刻发生了故障。巴厘海面到处都在进行着厮杀，连担任掩护的盟国军舰“特罗姆普”号也赶来向日舰开炮，不料该舰的舵仓被一发炮弹击中，受到重创。面对优势的日本舰队，宾福中校下令舰队往北方撤退，战场就交给了准备第三波进攻的鱼雷快艇。但实际上，以6艘荷兰鱼雷快艇组成的第三波攻击并无所获。
旗舰“司徒华”号在返回基地后倾覆，“皮德·海英”号沉没，“特罗姆普”号遭重创，多艘舰只负伤。对于盟军来说，这次主动发起的夜袭战得不偿失。虽然盟国军舰击伤了几艘日本舰船，但自己的损失更大。此次巴厘海战，盟军失败的主要原因是犯了兵力分散的用兵大忌。随著巴厘岛的失守，爪哇岛的危险日益加深。
3.爪哇岛失陷，一面倒的战局
1942年2月19日，金村支队（以第48师团的步兵一个大队为基干）几乎没有遇到任何抵抗，就登上了爪哇东面的巴厘岛。再往东1100公里处，东方支队正在帝汶岛建立滩头堡。日军的行动不但孤立了爪哇岛，而且切断了荷属东印度群岛和澳大利亚的联系。
同一天，停泊在帝汶岛附近海面的联合舰队第1航空舰队，对600公里外的澳大利亚北部城市达尔文港发动了一次毁灭性的空中打击。189架日机从4艘航空母舰上起飞，在渊田美津雄中佐的率领下，炸沉了停泊在达尔文港内的1艘英国驱逐舰、4艘美国运输舰、1艘英国油轮和4艘澳大利亚货轮，击毁23架盟国飞机。238名澳大利亚人被炸死，300多名被炸伤，日军方面仅损失了5名飞行员。
山本五十六大将受到南云忠一机动部队成功轰炸达尔文港的鼓舞，建议派出一支远征部队在没有设防的澳大利亚北岸登陆。横扫马来半岛、占领新加坡而享有“马来之虎”之称的山下奉文中将支持山本的意见，并且自告奋勇，表示愿意亲率部队打头阵。但是，东条英机首相和参谋本部的大多数资深军官都反对这一设想。他们认为，在澳大利亚荒原中，日军必须完全依赖后勤供应，而日本的商船队的负荷已经到了无法复加的地步。一旦美国将B—17轰炸机大量送到澳大利亚，日军就很难保持空中优势。一番讨论过后，山本五十六的设想被放弃了，山下奉文则因与东条在军内属于对立的派别而被派到中国东北，担任“满洲”第1方面军司令官。
2月25日，西南太平洋盟军司令韦维尔鉴于爪哇岛已难防守，便撤到了锡兰（斯里兰卡）。
韦维尔撤消了他的指挥部，并将他的总部撤到印度，大部分英军和部分美军随他一同撤退。荷兰人留下来继续战斗。荷兰海军中将康拉德·赫尔弗里希奉命接替哈特上将，指挥盟国海军舰队。
与此同时，一个由56艘运输船只和警戒舰只组成的日军登陆输送队在爪哇岛西北方待机而动，另一个由41艘运输船和巡洋舰、驱逐舰等组成的日军登陆输送队在东北方待机而动。
27日，多尔曼少将奉赫尔弗里希司令的命令，从泗水出发，前去截击东北方的日军船队，夺取爪哇外围岛屿后，日军从东西两面向爪哇岛发动进攻。盟国海军奉命组织截击，在爪哇岛附近与日本海军展开激战。
2月22日这天，准备在泗水登陆的日军第48师团搭乘在41艘船上，由水雷战队和驱逐舰队护航下，从巴厘巴板出发，杀气腾腾地沿爪哇海面南下，一场决定盟军能否在南洋群岛一带安身立命的泗水海战处在一触即发之际。
26日晨，日军的这支护航船队于在婆罗洲东南端的劳特岛南部与第5战队和第2水雷战队汇合，然后驶抵泗水西北约60海里海域。日军第48师是一支战斗力很强的部队，在开战以来可谓出尽了风头。该师于1940年12月以华南的台湾混成旅和步兵第47团为基干组建而成，最初在中国华南作战。后移师台湾的高雄，准备用于马来作战，后来改为菲律宾方向作战。师主力于12月22日在林加延湾登陆，轻而易举地进占菲律宾首府马尼拉，现在又被调来攻打爪哇岛。
几个夜晚，多尔曼一直率领其舰队在爪哇和马都拉的北海岸附近巡航，以防日军突然登陆。起初的巡航中没发现日本舰队，盟军便于26日下午返回泗水港补充燃料，刚进港便接到发现日军船舰的报告。第二次捕捉日舰的行动马上开始，可是，这次又没发现日本舰队的踪影。27日下午，多尔曼率舰队返回泗水，刚刚抛下锚，突然又接到急电：“在马威安岛之西20海里处，发现日本巡洋舰2艘，驱逐舰6艘，运输舰25艘，在岛西北方65海里处，另有日本驱逐舰及运输舰数艘，该船团后方尚有日本巡洋舰1艘。”多尔曼便立刻准备出击。
多尔曼立即改变航向，率部向来袭舰队所在方向驶去，航向315度，航速24节。多尔曼率领的巡洋舰部队以单纵队前进。该部队的阵容如下：
居中的巡洋舰为5艘，它们依次是：旗舰“德鲁伊特尔”号、英舰“埃克塞特”号、美舰“休斯敦”号、澳舰“佩思”号、“爪哇”号；
担任前方警戒的有3艘驱逐舰：英舰“伊莱克特拉”、“因康特”、“丘辟特”号；
担任左方警戒的有2艘驱逐舰：荷兰舰“威特·德·威思”、“科顿纳尔”号；
担任左后方警戒的有4艘驱逐舰：美舰“爱德华”、“奥尔登”、“福特”、“保罗·琼斯”号。
该部队阵势颇为威武雄壮，在海面上气势非凡，浩浩荡荡的驶出泗水港。
日军护航舰队由第5重巡洋舰战队司令官高木武雄少将指挥。除了第5战队的重巡洋舰“那智”号和“羽黑”号以外，还有第2驱逐舰战队的轻巡洋舰“神通”号及其7艘驱逐舰、第4驱逐舰战队（由西村祥治少将指挥）的轻巡洋舰“那珂”号及其6艘驱逐舰。高木舰队与多尔曼舰队的军舰数量之比为17比14。
从两军实力的比较来看，日军并不占优势，但在其它方面，日军占有优势，多尔曼的通讯能力比较差，没有飞机去进行侦察，而日军却不断的用飞机进行侦察。多尔曼意识到空中侦察的重要性，在2月26日的最后一次参谋会议上，他对泗水海军指挥官说，他衷心希望能依靠从空中得来的必要支援。然而事与愿违，那里根本就没有太多可用的飞机。
盟军的官兵在战斗岗位上已达37小时，不少人已筋疲力竭，多尔曼在给赫尔弗里希的一份电报中提到：“我的部属的耐力已达到极限，很快就要超过限度。”但盟军里士兵的斗志还是比较高的。高木还拥有3架侦察机，从而于下午3点15分首先发现了盟国舰队。高木备战一个小时后，多尔曼才发现日军舰队。
首先，日本护航舰队接到日侦察机发来的急电：“敌舰位于泗水海面310度、63海里处，航向80度，航速12节。”虽然日军掌握了多尔曼舰队的动向，可是由于当时盟军舰队向东行进，日舰指挥官便错误地认为“以巡洋舰为主力的敌人海上大部队，受我舰队的威压，已成惊弓之鸟、漏网之鱼，正向泗水方面逃逸。”因此，命令日舰继续向预定的登陆地点开进。
1942年2月27日，东南亚战场最大规模的一次海战，即泗水海战（爪哇海海战）爆发。
27日15时30分，多尔曼获悉日军的确切位置后，立即下令：“舰队全速前进！勿须顾及空袭！搜索和攻击日舰！”此战，关系到整个爪哇岛的前途和命运，决定着盟军能否在荷属东印度群岛一带存身立命。因此，盟军以决死战斗的姿态，投入全部可以调动的兵力。
在日舰舰桥上，日军军官们有的喝着甜茶，有的高谈阔论，殊不知大敌当前。正当日军有些得意之际，日军侦察机发来报告：“敌舰回转，航向西北，速度18节，成单纵阵。”日本人确信盟国舰队正向他们杀来，开始惊慌了起来，他们立即令速度慢、火力弱的运输船队迅速向北退避。第2水雷战队指挥官田中赖三少将见第5战队主力重巡洋舰“那智”、“羽黑”号尚未赶来，便率所属日舰，以轻巡洋舰“神通”号为首，成单纵阵准备应战。
这个时候海面上隐隐约约出现了数根巡洋舰的桅杆，而且越来越高大，待日本人看清之后，他们发现其中有一个正是“德鲁伊特尔”号高大而特异的桅杆。“德鲁伊特尔”号在距日舰28公里的地方，正在迎面向日军快速驶来。
没有重巡洋舰“那智”号和“羽黑”号的支援，日军的船队此时正处于可能会遭全军覆没的境地，日本人大惊失色。危急关头，第2水雷战队指挥官原为一决定在第5战队到达之前，率领水雷战队（驱逐舰）单独作战，阻止敌舰袭击，拼死不让敌舰接近大船队。
随着盟国军舰炮声的巨响，数十发炮弹落在日本船队左前方，激起高大的水柱，夹带着海水的弹烟，愈来愈近。突然，从日舰左后方传来一声巨大的炮声，“羽黑”号从27公里以外赶过来发射了第一炮。
“各舰进入战位，基准航向170度！”第5战队司令官高木武雄少将下达了命令。
双方舰只在相距25公里的距离上开始互相对射。最初，盟军稍占上风。巡洋舰“休斯敦”号、“埃克塞特”号、“佩思”号以及旗舰“德鲁伊特尔”号都相继击中了目标，日舰甲板冒出一股股黑烟。但是，不久，日舰在3架观察机的指挥下，很快提高了命中率。“德鲁伊特尔”号和“埃克塞特”号随即被日舰炮火罩住，其余盟国的各舰也中弹多枚。
高木少将指挥他的2艘重巡洋舰上的20门8英寸火炮，以最大射程2.52万米向盟军舰队射击。日军的这一战术令多尔曼的所处地位十分不利，因为“休斯敦”号重巡洋舰的后炮塔在之前的战斗中被毁，无法发挥作用。在开战的几分钟里，旗舰“德鲁伊特尔”号的轮机舱被一颗没有爆炸的8英寸炮弹击中。
日军第2水雷战队冒着呼啸的炮弹，向9000米位置上突进；西村少将指挥的第4水雷战队，在掩护运输船队北撤之后，也加入了攻击行列；支援队中，4艘驱逐舰也会同各战队一齐向盟军舰队进攻。
鱼雷拖着蓝白色的尾浪向盟军军舰扑来。同时，“那智”号和“羽黑”号用203毫米的大炮持续向盟军旗舰“德鲁伊特尔”号射击，日驱逐舰则在炮火掩护下紧急进行鱼雷装填，准备发动不断的攻击。日舰由于距离过远发射鱼雷而导致大部分落空，这时日本人变得疯狂起来，断然进行突击决战。第5战队所有大炮加快射击速度，炮火更加猛烈。第2水雷战队在田中赖三少将指挥之下，以“神通”号为前锋，将8艘驱逐舰排成一列，向盟国舰队作肉搏式强袭，以“那珂”号领先的第4水雷战队高速向盟国军舰接近，准备在抵近盟军时发射鱼雷。
炮战仍在紧张的继续着，盟军旗舰虽然被击中两次，但炮弹未爆炸，未受损失。多尔曼少将毫不畏惧，指挥各舰勇猛还击，盟国军舰发出的炮弹像雨点似地向日舰倾泻过去。交战已近一小时，双方难分胜负。当日舰逼近到7000米时，为防不测，田中赖三下令攻击，“神通”号首先发射鱼雷，随后8艘驱逐舰也不失时机地向盟国军舰施放鱼雷。40余枚鱼雷在海面飞窜，盟国舰队形势开始变得十分危急。
不久，日军重巡洋舰的另一排炮弹在“埃克塞特”号重巡洋舰的轮机舱里爆炸，军舰立即起火，被迫撤出战斗。由于它紧跟在旗舰后面，负责传达命令，其他3艘巡洋舰便以为多尔曼下令改变航向，便自行左转。结果，盟军舰队的队形大乱。
多尔曼少将仍旧临危不惧，率舰队突然向外方作90度大回转，同时放出浓浓的烟幕。多尔曼少将这一大胆而巧妙的行为挽救了盟国舰队。由于距离大远，日军发射的枚鱼雷只对荷兰的“科顿纳尔”号驱逐舰产生了致命的伤害，该舰当即折断沉没，盟国其余舰只安全退出战斗。
17时05分，“埃克塞特”号被击中，紧接著“休斯敦”也被一枚炮弹击中，舰艇不得不减速。17时08分，一艘受损伤正欲退出战场的日舰向盟舰射出最后一炮，不料正中“埃克塞特”的锅炉，它的8个锅炉有6个被毁，“佩思”号随即在受伤的巡洋舰四周施放烟幕，使其免受日舰攻击。
当日舰前来追击时，负责掩护“埃克塞特”号的英国“伊莱克特拉”号驱逐舰被日军炮火击沉。日舰“神通”号冲在最前面，首先被盟国军舰“伊莱克特拉”号炮火命中。但“伊莱克特拉”号旋即也被日舰击中一弹，二号锅炉被炸毁。
晚7时，多尔曼重整队形，率舰队向东南方退去。高木少将也担心运输船队的安全，害怕继续南下会闯进盟军的水雷区，便命令舰队集结，向北规避，同时让“那珂”号和“神通”号各派出侦察机侦察盟军舰队的行动。
多尔曼与高木脱离接触后，仍试图捕捉日军的运输船队。美国的4艘驱逐舰则因鱼雷发射一空，燃料所剩无几，只好向泗水返航。另外1艘荷兰驱逐舰也陪同受伤的“埃克塞特”号返回泗水。晚9时30分，正当剩余的盟国舰队沿爪哇北岸西进时，英国的驱逐舰“丘辟特”号触到了盟军当天下午布下的一颗水雷，爆炸后沉没。盟军的巡洋舰掉头北上，在经过“科顿纳尔”号驱逐舰被击沉的海面时，在最后面的一艘驱逐舰被派去打捞幸存的落水舰员。而后，多尔曼率领尚存的4艘巡洋舰继续向北航行。
此时盟国军舰弹药逐渐告罄，舰员深感疲劳，盟军舰队渐渐处于不利境地。28日零时40分，盟国舰队突然发现日舰“那智”、“羽黑”号趁月色南航，位于盟军舰队左正横方向，相距不到6000米，盟舰由于措手不及而失去攻击机会，仅几分钟，日舰就掉头北驶，选择了一个有利的位置向盟舰发射出12枚鱼雷。此次鱼雷攻击十分成功，盟国舰队旗舰“德鲁伊特尔”号及“爪哇”号巡洋舰躲闪不及，皆被命中，危在旦夕。多尔曼在旗舰被击中后，命令仅存的美巡洋舰“休斯敦”号、澳巡洋舰“佩思”号退至丹戎不碌港（雅加达湾内）。
“德鲁伊特尔”号及“爪哇”号两舰燃着大火壮烈的沉没了。“德鲁伊特尔”上的多尔曼少将本可以搭乘救生艇离开险境，但他选择了与“德鲁伊特尔”一起沉入大海的决定，最后壮烈殉职。
盟军被击沉巡洋舰2艘，伤1艘，被击沉驱逐舰3艘；日军损失9艘运输船，伤巡洋舰、驱逐舰多艘。泗水海战，使盟军保卫爪哇岛的海上力量几乎崩溃，盟舰的作战仅使日军登陆比预定时间推迟一天。