聖克魯斯航母大戰的勝果使日軍大本營確信，隻要再堅持一下就能奪回瓜島，因此，11月初，夜間趕運的“東京快車”又加快了速度，使瓜島的日陸軍部隊超過了美軍兵力數千人。但是，山本認為這種小規模的逐次增兵的方法隻是權宜之計，他決心組成一支規模空前的“東京快車”去增援瓜島，以一勞永逸地解決問題。11月12日，素以英勇頑強著稱的田中海軍少將在肖特蘭島完成集結，他將率領11艘快速運輸船在11艘驅逐艦的護航下，運載陸軍第38師1.35萬人於當晚出發，準備突破“槽海”南下。山本的計劃是，14日田中編隊在瓜島登陸，在此之前的12～13日夜間，用戰列艦編隊和巡洋艦編隊連續對亨德森機場實施炮擊，晝間則用轟炸機對其實施空襲，航空母艦機動艦隊在所羅門群島北麵活動，為田中編隊提供空中掩護，但避免與美軍進行艦隊決戰。
日軍再次集中力量設法奪回瓜島的企圖瞞不過美太平洋艦隊的密碼專家們，盟軍急忙從各地調來增援部隊。在羅斯福總統的親自關注下，一批巡洋艦、驅逐艦和潛艇被增派到南太平洋，又從夏威夷和澳大利亞調來了轟炸機和戰鬥機。大戰已迫在眉睫，金凱德海軍少將率領“企業”號航空母艦特混艦隊從努美阿出航，其中包括“華盛頓”號戰列艦和受創的“南達科他”號戰列艦。焊工也隨“企業”號出發了，因為時間緊迫，所以不得不邊航行邊來修理它受傷的艦首部，可前升降機是再也無法使用了。看來哈爾西海軍中將從聖克魯斯海戰中學到了行動謹慎這條經驗，他指示金凱德：“企業”號無論如何不要進入所羅門群島以北海域。11月11日，特納海軍少將雖及時地把陸軍和海軍陸戰隊約6000人的援兵送到了瓜島，但這不難被日軍發現，卸貨作業屢屢被日軍的艦載轟炸機和岸基轟炸機打斷。12日黃昏，特納根據偵察機的報告獲悉，日軍一支重型艦艇部隊正直下“槽海”。於是，他令運輸船隊向東南方向撤離，並從護航艦隻中抽出5艘巡洋艦和8艘驅逐艦，由卡拉漢海軍少將指揮，前往“鐵底灣”，挫敗日軍即將發起的對亨德森機場的夜襲。
11月12日夜晚，南太平洋的天氣悶熱，夜空中沒有月亮，隻有點點星光。形勢對卡拉漢很不利，因為日軍的阿部弘毅編隊除擁有1艘輕巡洋艦和14艘驅逐艦外，還有“比睿”號和“霧島”號2艘戰列艦。卡拉漢海軍少將心裏明白他的軍艦比對手少，但不知道敵人的優勢究竟有多大。他隻好仰仗戰神保佑了，因為現在他已來不及對敵情進行偵察，也來不及製定出一個妥當的作戰方案。他仿效斯科特海軍少將在埃斯佩蘭斯角海戰中的戰法，采取單縱隊隊形，5艘巡洋艦居中，前後各配置4艘驅逐艦。卡拉漢又把雷達性能較差的重巡洋艦“舊金山”號作為旗艦。斯科特這次擔任卡拉漢的副手，其座艦“亞特蘭大”號輕巡洋艦也沒有裝備新型的對海搜索雷達。13日淩晨1時半，“海倫娜”號輕巡洋艦上的大功率雷達在距日艦14海裏處發現目標，並用無線電向旗艦作了報告。可惜，卡拉漢沒能正確利用領先幾分鍾發現敵艦的優勢，而是先後兩次命令其編隊向右轉向，意圖像斯科特在埃斯佩蘭斯角海戰時那樣，通過上述機動，占領T字橫頭陣位。航行在最前麵的驅逐艦“庫欣”號突然發現日軍前衛驅逐艦就在其前方，於是立即轉舵，致使隨後的3艘美驅逐艦發生混亂。為避免碰撞己方驅逐艦，居中的卡拉漢巡洋艦隊又向左轉向。就這樣，日美雙方的艦隻在夜暗中不知不覺地混雜在一起了。
阿部弘毅也被“發現敵人”的報告弄得驚慌失措，艦上立即發出換上穿甲彈的緊急命令。升降機和炮塔忙個不停，卸下高爆彈，裝上穿甲彈，足足花了一刻鍾的時間。淩晨1時50分，當“比睿”號的探照燈光透過夜幕照見“亞特蘭大”號時，斯科特一看危險，不等卡拉漢的指示，急忙下令“開火！反照射！”5英寸大炮進發出耀眼的閃光，但為時已晚，從2英裏外黑森森海麵上飛來的敵艦上的第1陣排炮擊中了這艘輕巡洋艦。“亞特蘭大”號的艦橋當即被炸飛，艦橋上的軍官連同斯科特海軍少將全部陣亡。卡拉漢的旗艦發出信號：“單數軍艦向右舷開火，雙數軍艦向左舷開火！”他發現他的艦隊兩側都是敵艦，一邊是戰列艦，另一邊是巡洋艦和驅逐艦。戰鬥演變成相互近距離的交火，漆黑的水麵上升起一串串耀眼的黃色、朱紅色閃光。魚雷的翻騰航跡不時在激戰雙方的驅逐艦之間穿來穿去，美艦接連受創，隊列被打亂了。“亞特蘭大”號中了2條魚雷，動彈不得。“庫欣”號驅逐艦趕去救援，將魚雷射向敵艦，但是它自己也被“比睿”號的探照燈照住，立即被擊中起火。它的姊妹艦“拉菲”號勇敢地發起進攻，但未擊中敵艦，卻被兩發14英寸（356毫米）的日戰列艦主炮炮彈炸得稀爛。
美軍驅逐艦和巡洋艦的小口徑炮彈打在“比睿”號和“霧島”號上，都被戰列艦厚重的裝甲彈飛了，戰鬥開始後那幾分鍾盲目的慌亂，迫使卡拉漢暫時停火，以便讓他的巡洋艦能找準目標。“我們要幹掉的是大家夥！”他吼道，“首先瞄準大的！”這竟然成了卡拉漢的最後一道命令。日本人也利用這段間歇調整了部署，再次列隊投入戰鬥。探照燈投向了“舊金山”號，“霧島”號上的舷側炮一陣齊射，擊穿了這艦美軍旗艦的上層建築，卡拉漢成了這場海戰中美軍陣亡的第二個將官。跟在其後的“波特蘭”號重巡洋艦中了一條魚雷，艦尾鋼板彎曲變形，成了舷的形狀，“波特蘭”號在原地打起轉來，然而其火炮依然不斷轟擊“比睿”號。輕巡洋艦“朱諾”號的機艙被魚雷擊中，失去了動力。“巴頓”號驅逐艦被劈成兩半，逐漸下沉。它的夥伴“蒙森”號魯莽地打開一束探照燈，旋即燃起熊熊烈火。戰鬥持續了24分鍾後，“鐵底灣”上隆隆的炮聲靜寂了下來，美國軍艦上搖晃不停的火光或明或暗，映照出海麵上浮著的黑色油層、屍體和汙物。“亞特蘭大”號勉強行駛，最後不幸觸礁沉沒。“朱諾”號輕巡洋艦拖著殘體剛剛駛出“鐵底灣”，就遭日軍潛艇攻擊，全艦700餘名官兵，除少數逃生外，大多與軍艦同歸於盡，或死於鯊魚的利齒，該艦的沉沒使衣阿華州的托馬斯·沙利文夫婦一下子失去了5個兒子，為此美國海軍頒布條令，今後不準一家人在同一艘艦艇上服役。