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具有非凡的夜间目测能力。这是以种在实战中锻炼出来的对环境的适应能力。
“右30度，看到舰影，距离1万米。”“鸟海”号重巡洋舰上的了望员高声喊道。这是美军正在巡逻的驱逐舰。
“右炮准备炮战。”巨炮旋转，瞄准舰影。但山川中将还不希望此时与美军接战，因而下令改变航向左30度，速度降低到22海里，企图悄悄穿过去。双方军舰越来越靠近了，但美驱逐舰并未有所反应。从这里便可看出这时的美军战舰缺少实战经验，夜战能力太弱。这回幸运女神向山川舰队送来秋波，山川舰队正好航行在美军两艘驱逐舰巡逻区的交接点上。
9日凌晨1时30分，日舰再度提高航速。这时日本山川中将已经形成了最后的作战决心：主要目标是美运输船，而掩护登陆场的美巡洋舰是最危险的力量，在攻击美运输船之前，必须先消灭美巡洋舰。鉴于海区狭窄，夜里能见度较差，不利于全舰队打堂堂之阵，于是山川下令各舰自行指挥，各自为战。
“右舷9度，重巡洋舰3艘，向左前进。”“鸟海”号舰桥内传来了了望员的喊声。这正是美军主力，前面的是重巡洋舰“堪培拉”号，后面的是重巡洋舰“芝加哥”号，航行在最外面的是驱逐舰“帕特森”号。
“鸟海”号重巡洋舰舰长早川大佐冲山川中将狡黠地一笑，接着转向话筒：“朝右舷发射鱼雷！——放！”
航行在最外面的是驱逐舰“帕特森”号，首先发现了日舰队，它当即用无线电发出警报：“警报——警报，未判明舰只正在进港！”但为时已经太晚，一架日本侦察机凌空投下了照明弹，把美军战舰“芝加哥”号和澳舰“堪培拉”号的舰身照得一清二楚。
“照射！舰炮射击开始！”舰桥中的早川大佐一声令下“鸟海”号上的探照灯突然亮起，并捕捉住了航行中的美军舰队中的“堪培拉”号。霎时间“鸟海”号上的10门主炮同时开火。
就在这时“堪培拉”号发现了一条直驶过来的雷迹，船长哥丁上校还以为是潜水艇发射的，高声叫道：“左满舵！”在海面疾驰而来的雷迹，发出闪亮的夜光，在黑暗中显得如此的耀眼。“堪培拉”号舰身急转，可是迟了一步。只听得“轰”的一声巨响，在舰的中央部位升起一股巨大的水柱。一群人被抛到空中。随着又是一声爆炸，舰身突然向左倾斜。哥丁舰长此时仍认为是潜艇攻击，想到后面还有“芝加哥”号救援，对该舰的受伤程度并不怎么在意。然而，就在这时，从左侧黑暗中，连续发出闪光，并传来巨大的炮击声，他这才意识到日本的舰队就在附近。
“左舷炮战。快！快！”哥丁舰长立即对着通讯话筒高声大喊。
可是当主炮正向左旋转时，日舰射击的炮弹已呼啸而来，瞬间就有24发炮弹打在“堪培拉”号的船舷上。当“堪培拉”号顽强地回击了两条鱼雷和几发炮弹后，船上的主机就不能转动了，大火蔓延到整个甲板上，甲板上到处都是倒毙的尸体，舰长也被击毙。一些伤重而生命垂危的水兵仍在挣扎着把烈火烤得发热的炸弹推到海里去，但“堪培拉”号已经不克救药，最后还是在几个小时后沉入了大海。
跟随在“堪培拉”号后面的“芝加哥”号也没有交上好运，舰首被鱼雷击中，爆炸掀起的水柱使前甲板涌满了海水。同时该舰前桅又被日军巡洋舰发射的一发炮弹击中，舰面弹片横飞，死伤惨重。“芝加哥”号重巡洋舰一弹未发，就脱离编队撤出了战斗。“帕特森”号驱逐舰也被日舰击伤。日舰队初战告捷，于1时50分撤离战斗北上。
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天使用的粮食和弹药，再加上陆战队手上原有的4个基数的弹药。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。