Через полчаса после захода солнца флагманский крейсер «Санта-Фе» обнаружил цели на экране радиолокатора на дистанции 17 миль. Вскоре было отмечено, что одна из «отметок» на экране отделяется от других, удаляясь на север. В 18.51 ДюБоуз приказал открыть огонь: легким крейсерам по ближайшим целям, тяжелым – по дальней. К этому времени стемнело, и в направлении противника ничего нельзя было разглядеть, пока один из ближайших кораблей не начал отвечать на огонь. Это «Хацудзуки» открыл ответный огонь. В 19.07 «Исудзу» попал под накрытие и поспешно повернул обратно вместе с «Вакацуки».
Дальняя цель, по которой вела огонь «Уичита», через десять минут после открытия огня развила скорость до 30 узлов и к 19.06 вышла за пределы дальности стрельбы. ДюБоуз решил не преследовать ее и не разделять свои силы, а сосредоточить удары по двум оставшимся целям. В 19.11 в больший из оставшихся кораблей противника было отмечено попадание двух снарядов, на нем вспыхнул пожар, но через несколько минут пламя погасло. К этому времени наши головные корабли находились в 6 милях от целей и вели непрерывный огонь. Третий корабль продолжал отрываться, следуя на север, по-прежнему находясь за пределами дальности огня нашей артиллерии. Другой корабль, оказавшийся под обстрелом, увеличив скорость до 26 узлов, начал маневрировать, уклоняясь от залпов и отвечая на огонь. На крейсере «Мобайл» слышали пролетавшие над ним снаряды и наблюдали несколько всплесков у борта. Дважды цель пыталась выйти на позицию для торпедного залпа, но каждый раз ДюБоуз, уклоняясь, приказывал изменять курс, что замедляло преследование. На корабле противника был отмечен взрыв, на короткое время на нем снова возник пожар, но корабль продолжал уходить на север большой скоростью. Бой превращался в затяжную погоню. На потопление одного эсминца уходило чрезмерно долгое время.
В 19.29 эсминцы «Кларенс К. Бронсон», Коттен» и «Паттерсон» пошли в торпедную атаку под прикрытием крейсеров, которые вели редкий огонь, обеспечивая их сближение с противником. В 20.12, после того как противник сбавил ход, эсминцы дали торпедный залп с дистанции около 3,5 мили и открыли огонь из 127-мм орудий. В конце расчетного времени хода торпед до цели были отмечены яркие вспышки, а позже послышался и глухой взрыв. Хотя это и могло означать попадание, доказательство было не стопроцентное. Окутанный дымом и сбавивший ход до 17, а затем до 10 узлов, корабль противника продолжал вести артиллерийский огонь еще около 20 минут. Вскоре крейсера открыли по нему огонь с короткой дистанции, а «Санта-Фе» ярко осветил его специальными снарядами. Это был эсминец «Хацудзуки». ДюБоуз приказал добить его торпедой, но не успел выделенный эсминец выполнить приказание, как японский корабль затонул. Интересно, что незадолго до своего последнего боя, эсминец спустил катер, чтобы подобрать людей с воды. В результате 8 человек экипажа «Хацудзуки» и 17 человек с «Дзуйкаку» 14 ноября добрались до южного берега Формозы!
В последней фазе этого боя два ночных самолета-разведчика вели поиск новых целей в северном направлении, в непосредственной близости к отряду. Они донесли, что ближайшие японские корабли находятся в 46 милях к северу от кораблей ДюБоуза и отходят на север с 22-узловой скоростью. Еще дальше за ними со скоростью 20 узлов отходила другая группа кораблей противника. Два корабля, находившиеся вместе с теперь потопленным эсминцем, нигде не обнаруживались. После подсчета времени, необходимого для перехвата ближайших целей, ДюБоуз решил, что ввиду предстоявшей встречи с Митчером, оставшимся далеко на юге, и необходимостью пополнить запасы топлива на всех эсминцах, ему лучше отказаться от длительного преследования. Другим соображением могло быть присутствие японских линейных кораблей к северу от него. В 21.50 эсминцы и крейсера построились и пошли на юго-восток, в точку встречи с авианосцами, назначенной на следующее утро. Так закончилась надводная фаза боя у мыса Энганьо.
Тем временем, около 19.30, вице-адмирал Одзава, находившийся на борту легкого крейсера «Оёдо», получил донесение от эсминца, атакованного ДюБоузом, что американское соединение в составе двух линейных кораблей в охранении крейсеров и эсминцев следует в северном направлении. Считая, что у него осталось достаточно сил, чтобы справиться с таким соединением, Одзава немедленно приказал своим уцелевшим кораблям лечь на обратный курс и сблизиться с преследующими его силами для торпедной атаки. В то время он все еще имел два линейных корабля, по крайней мере, один легкий крейсер в хорошем состоянии и шесть или больше эсминцев – соединение, которое, вероятно, смогло бы справиться с крейсерами и эсминцами ДюБоуза.
