Хотя во многих источниках имеются утверждения о попадании двух торпед в носовую часть с правого и левого борта достаточно достоверных подтверждений об этом не имеется. В воспоминаниях барона фон Мюлленхейм-Рехберга и Йозефа Штаца (Josef Statz) все сведения о торпедных попаданиях с эсминцев также опровергаются. Веских подтверждений не было обнаружено и при подводном обследовании. Тем не менее именно в этот период в носовой части с правого борта имело место пожар на палубе, В источниках, опровергающих торпедные попадания, причиной возгорания обычно указывается попадание осветительного снаряда. Его взрыв экипажем британского эсминца "Maori" был определен как торпедное попадание. Йозеф Штац утверждает, что причиной могли стать и собственные выстрелы из носовых башенных орудий линкора. Поэтому в данный момент приходится только констатировать как факт наличие пожара в носовой части палубы. Главный старшина Герхард Сагнер (Gerhard Sagner) и артиллеристы из орудийного расчета получили приказание ликвидировать возгорание, но выполнить его не смогли. Выстрелы из носовых орудий, а также захлестывание больших масс воды помешали им пробиться к очагу пожара. Тем не менее огонь оказался потушен, - вероятно, захлестнувшей на палубу волной.

К рассвету 27 мая вокруг "Bismarck'a" собрались внушительные силы британского флота. Линкоры "King George V" (десять 356-мм), "Rodney" (девять 406-мм), линейный крейсер "Renown" (восемь 381-мм), авианосец "Ark Royal", тяжелые крейсеры "Norfolk" и "Dorsetshire" (по восемь 203-мм), легкий крейсер "Sheffield" и девять эсминцев, из которых пять эсминцев - участников ночного боя - контролировали движение "Bismarck'a" в ожидании подхода главных сил, следуя за ним с четырех сторон на большом удалении. Силы были явно неравны, к тому же немецкий корабль был серьезно поврежден. Воздушной поддержки немцы не ожидали - они находились слишком далеко от авиационных баз и к тому же очень плохая погода не позволила бы немецким летчикам совершить полеты большой дальности. Попытки взять линкор под авиационное прикрытие совершались с полудня 25 мая, после получения роковой для "Bismarck'a" радиограммы, но они не увенчались успехом.

Вскоре после рассвета Лютьенс, видимо не надеясь на благополучный исход боя для "Bismarck'a", приказал отправить в Германию на корабельном гидросамолете вахтенный журнал и некоторые другие документы, включая заснятый фильм о потоплении "Hood'a". Однако катапульта оказалась поврежденной и при старте самолет упал за борт. Поиск плавающего самолета и документов был поручен подводной лодке "U-556", но из-за недостатка топлива на последней перепоручен "U-74", Последняя, выйдя в район поиска, самолет так и не нашла.

Примерно в это же время, около 7 часов утра, офицеры на мостике "Bismarck'a" были сбиты с толку, ошибочно классифицировав приблизившийся на 8-9 миль британский крейсер "Norfolk" как линейный корабль типа "King George V", о чем было сообщено на ряд боевых постов. Между тем 'Norfolk", установив визуальный контакт с немецким линкором, сообщил об этом на подходившие линкоры "Rodney" и "King George V".

Даже в поврежденном состоянии "Bismarck" представлял для англичан серьезную угрозу, поэтому адмирал Тови, составляя план боя, учитывал горький урок с "Hood'oм" и не считал нужным рисковать. Решительную атаку немецкого линкора он рассчитывал начать на рассвете авиационным налетом 12 торпедоносцев "Swordfish", а затем закончить бой артиллерийским ударом двух своих линкоров. Для решительного боя он выделил "King George V" и "Rodney", рассчитывая быстро сблизиться с "Bismarck'oм", выйти на его левый борт и вести огонь с близкой дистанции, на которой тяжелые снаряды  "Rodney" будут особенно эффективны, "Renown" с его слишком легкой защитой Тови оставил в сопровождении авианосца, но приказал не выходить из видимости немцев, видимо, рассчитывая на моральный эффект его присутствия. В бой линейный крейсер предполагалось ввести только с случае выхода из строя какого-либо британского линкора. Таким образом "Renown" в бою не участвовал, находясь в 40 милях юго-восточнее. Остальные крупные британские корабли находились еще дальше.

Однако вскоре Тови отказался от утренней атаки, опасаясь, что из-за переменной и ненадежной видимости в утренних сумерках какой-либо из его кораблей окажется в опасной близости с "Bismarck'oм" и попадет под удар его мощного бортового залпа. Кроме того, штормовая погода создавала большие трудности для использования авиации, поэтому Тови решил провести только артиллерийский бой, но уже при хорошей дневной видимости. С рассветом оба линкора приблизились на 13 миль и, наведенные "Norfolk'oм", в 8.30 утра установили визуальный контакт о ним.

Бой начался в 08.47 с дистанции примерно 20 тысяч метров. Британские линкоры открыли огонь первыми и почти одновременно. Первый залп "Rodney" лег недолетом и "Bismarck" начал ответную стрельбу в 08.49, стреляя по "Rodney". Неспособный управляться он был во власти морской стихии, медленно двигаясь 7-8-узловой скоростью на северо-запад. Его ответная стрельба оказалась затруднительной - непредсказуемые на волнах перемещения поврежденного линкора создавали большие трудности для управления огнем, и как орудийная платформа корабль теперь был довольно плох. Тем не менее старший артиллерийский офицер "Bismarck'a" Адальберт Шнейдер (Adalbert Schneider) смог добиться некоторых успехов, уже третьим залпом дав накрытие, но без прямого попадания в "Rodney", В это время в корабль стали попадать английские снаряды. Видя, что англичане пристрелялись, "Bismarck" попытался совершить поворот вправо, приведя британские линкоры на левый борт. С противоположного борта к нему подходил "Norfolk", открывший огонь в 06.54, а после 9 часов с правой раковины "Bismarck'a" начал стрелять и "Dorsetshire". Примерно в 09.05 на немецком линкоре был разрушен главный пост управления огнем и с этого момента его стрельба практически не имела эффекта. К тому же в 09.08 из-за нарушения системы управления стрельбой обе носовые башни вышли из строя. Управление огнем было перенесено в кормовой пост, но в 09.13 вновь была нарушено из-за близкого разрыва снаряда. В дальнейшем обе кормовые башни стреляли самонаведением, ориентируясь на собственные дальномеры. Английские линкоры, разойдясь с "Bismarck'oм" контркурсом, примерно в 09.15 - 09.20 совершили разворот на север и начали сближение, держась слева от немецкого линкора. Стрельба "Rodney" оказалась очень аккуратной и точной, но в момент разворота из-за особенностей расположения башен несколько сбилась. "King George V" с его многоорудийным залпом тоже довольно быстро пристрелялся и в период между 09.20 и 09.24 добился нескольких попаданий в "Bismarck", хотя как раз в это время на нем из-за аварии привода вышла из строя носовая 4-орудийная башня. Тогда же на "Bismarck'e" замолчала кормовая башня, а примерно в 09.30 прекратила стрельбу продержавшаяся дольше всех башня "Caesar".

С этого момента "Bismarck" не мог отвечать на стрельбу приблизившихся британских линкоров, которые еще более сокращали дистанцию. Их снаряды поражали немецкий линкор практически в упор, производя ужасные разрушения. "Bismarck" был охвачен пожарами и имел заметный крен на левый борт. Так как положение становилось безнадежным старший офицер линкора капитан 3-го ранга Ганс Оелс в период между 09.20 и 09.30 получил приказ подготовить корабль к затоплению. В корабельном коде этот приказ обозначался как "Команда V", где V означало "Versenken" (сокращение от нем. "Versenken" = Затопление). Как факт интересно отметить, что в турбинном отсеке корабля имелся специальный, небольшой по размеру прямоугольный ящик-бокс, помеченный ярко-красной буквой "V" (Versenken). Ящик содержал шесть динамитных шашек, взрыватели, а также временные таймеры. Все это предназначалось для подрыва кингстонов и впускных клапанов конденсаторов после получения соответствующего приказа ("Команда V"). Как сейчас известно приказ о затоплении линкора был отдан примерно в 10 часов. Все действия по выполнению этого приказа выполнили капитан-лейтенант Ярейс (Kapitan-leutnant Emil Jahreis) и уже упоминавшийся Ганс Оелс. Они были успешно выполнены в среднем машинном отделении, в кормовом помещении турбогенераторов левого борта, и возможно также, в других помещениях энергетической установки. В части помещений вода прибывала в результате повреждений, а иные были затоплены насосами специально, во избежание пожаров или как мера контрзатопления. Естественно, в установке зарядов в них не было необходимости.