Для определения параметров стрельбы англичане применяли артиллерийский радар типа "284", имевшийся на борту "Prince of Wales". Это позволило правильно определить дистанцию, добившись согласованной работы оптических дальномеров и радиолокационной станции, и уже шестым своим залпом "Prince of Wales" наконец достиг попадания в "Bismarck". Однако попадание немецкого снаряда в башню линкора, вызвавшее ее выход из строя, заставило англичан выйти из боя, отвернув от "Bismarck". Как только "Prince of Wales" начал поворот, он был поражен ниже ватерлинии нырнувшим у борта 380-мм снарядом, который, к счастью для англичан, не взорвался. Это было седьмое попадание в британский линкор.
Всего английский линкор сделал 17 залпов - все пятиорудийные или меньше, так как у одного из орудий башни "А" имели место проблемы с прибойником снарядов, и оно вышло из строя после первого же залпа. Помимо этого плохо действовала и заедала орудийная башня "Y", которую удалось ввести в нормальное состояние только через час после боя. Несмотря на это, по всем имеющимся данным, стрельба линкора была достаточно эффективна, и, по всей вероятности, повреждения линкора "Bismarck" были вызваны именно его стрельбой, а не снарядами "Hood", который, как предполагается, на всем протяжении боя вел огонь по головному "Prinz Eugen". Это следует из того, что английские корабли распределили цели еще до боя, основываясь на сведениях о строе немецких кораблей, полученных от крейсеров, и не зная, что незадолго до боя головным в немецком отряде стал "Prinz Eugen". Несомненно, что уже в самом начале боя англичане могли бы обнаружить ошибку, но даже если бы британский флагман решил бы изменить цель в ходе боя, он вряд ли бы смог так быстро перенацелить "Hood" на "Bismarck", - устаревшая система управления огнем, имевшаяся на "Hood", не позволяла такой оперативной перемены цели. Считается, что "Hood" до последнего момента стрелял по "Prinz Eugen". Тем не менее, победа над "Hood" далась немцам не совсем безнаказанно. "Bismarck" в ходе боя получил три попадания 356-мм снарядами с "Prince of Wales".
Один снаряд попал в "Bismarck" позади дымовой трубы и разрушил корму командирского моторного катера. Другие повреждения от его взрыва оказались незначительны.
Второй 356-мм снаряд упал вблизи борта линкора и, пройдя некоторое расстояние под водой, поразил корпус ниже ватерлинии и ниже броневого пояса, в районе отсека XIV (под носовой боевой рубкой). Снаряд пробил бортовую подводную защиту и нарушил целостность 45-мм противоторпедной переборки. Металлические осколки проникли в кабельный коридор, а также пробили переборку, ограничивающую помещение носовой электростанции левого борта (турбогенераторы), которое сразу же стало наполняться водой. Оказалась повреждена также и главная поперечная переборка между электростанцией и носовым котельным отделением левого борта - через разрывы в сварных швах котельное отделение также стало затапливаться, хотя и не так быстро как помещение турбогенераторов. Уже в ближайшее время эти течи были взяты под контроль и заделаны парусиной от подвесных коек. Несколько позже их перекрыли сварными накладками. Тем не менее, оба котла носового левобортного отделения пришлось вывести из работы. Потеря мощности означала снижение полной скорости до 28 узлов, но все-таки она оказалась не меньше, чем у английских кораблей.
Третий 356-мм снаряд, попавший в носовую часть линкора и практически не повлиявший на его боеспособность, в конце концов драматически изменил судьбу "Bismarck'a".
Снаряд пробил носовой 60-мм защитный пояс на стыке отсеков XX/XXI - выше нормальной ватерлинии и выше броневой палубы. Он прошил линкор насквозь и не взорвался, однако пробоина с левого борта диаметром 0,85 метра оказалась в зоне буруна. Вода стала поступать в отсеки и смешивалась там с топливом. Линкор несколько осел носом, что еще больше увеличило поступление воды. Перекачать топливо в другие отсеки не представлялось возможным из-за повреждений арматуры в районе отсеков XX и XXI и недоступности из-за затоплений расположенных в этих отсеках топливных насосов. Все помещения в отсеках, доступные для воды, оказались затоплены морской водой смешанной с топливом, включая помещения с манифольдами (распределительные коллекторы топливной системы). Доступ к ним оказался перекрыт. Из-за этого "Bismarck" внезапно лишился возможности пользоваться почти 1000 тонн топлива, находящейся в носу. Поэтому для выравнивания корабля пришлось заполнить ряд отсеков противокреновой системы. Позже отверстия были заделаны парусиновыми пластырями. В настоящее время довольно трудно определить размеры повреждений в этом районе даже по фотографиям подводного обследования, представленным в 1989 году доктором Баллардом (Dr. Ballard), так как "Bismarck" носовой частью выше проектной ватерлинии погружен в донный грунт.
В результате "Bismarck" закончил бой, имея 9-градусный крен на левый борт и дифферент на нос около 2 метров. Но гораздо более чувствительным ударом для "Bismarck'a" стала потеря 1000 тонн топлива. Немецкие моряки были хорошо подготовлены к борьбе за живучесть корабля и довольно быстро локализовали повреждения, причиненные двумя снарядными попаданиями. Поступление воды через пробоины было либо полностью остановлено или взято под контроль. Крен и дифферент выровнены контрзатоплением нескольких второстепенных отсеков в районе зубчатой передачи. Тревогу, и не напрасную как оказалось, вызывало только вытекающее из носовых цистерн топливо, оставляющее след на поверхности воды. Позже по этому следу линкор был обнаружен британскими самолетами. Потеря топлива была тем более ощутимой, что во время стоянки в Норвегии "Bismarck" не смог пополнить свои запасы.
Сразу после боя в течение полутора часов Лютьенс послал командованию группы "Nord" три радиодонесения. В первом из них говорилось только о победе в бою и сообщалось, что по всей вероятности потоплен "Hood", и что корабли отслеживаются двумя английскими крейсерами. Затем, после определения размеров повреждений Лютьенс коротко сообщил, что из-за потери топлива он скорее всего будет вынужден прекратить операцию и следовать с линкором в базу, вероятнее всего в Сен-Назер. О крейсере он сообщил, что тот продолжит боевые действия самостоятельно. Из-за плохой погоды радиограммы были получены в главном штабе в Вильгельмсхафене только после 13-14 часов дня. Эти сообщения, по мнению Лютьенса как это можно предположить, не могли повредить линкору так как были сделаны вскоре после боя, когда английские крейсера еще продолжали слежение. В дальнейшем Лютьенс, по всей вероятности надеялся оторваться от противника и скрыться от преследования.
В это время перед Лютьенсом встала непростая задача - предстояло окончательно решить судьбу боевой операции. Необходимость возвращения в базу из-за потери топлива становилась очевидной, но было необходимо определить курс возвращения. Так как Лютьенс погиб, немецкое морское командование позже попыталось определить причины, заставившие его следовать во Францию: Но здесь важно отметить еще один важный аспект - при выполнении принятого решения, каким бы оно не было, Лютьенс не мог рассчитывать на сообщения из штаба о дислокации британских кораблей. Ведь и до этого данные авиаразведки не внушали немцам доверия, а после гибели "Hood" просто немыслимо было бы предположить, что англичане не попытаются отомстить "Bismarck'y". Это означало, что практически все имеющиеся вблизи корабли будут задействованы в операции, то есть изменятся их маршруты и позиции. Имеющиеся старые сведения будут абсолютно неверны, а на получение новых известий надежд не было, так как немецкой авиации оставалось только рыскать в открытом море с малой надеждой на какой-либо успех. Более того, немецкий флагман в надежде оторваться от преследования не мог воспользоваться радио и запросить штаб.
