尽管三川的舰队对瓜岛机场进行了炮击，但由于炮火威力不够，未能将其彻底瘫痪，导致田中的增援编队遭到了猛烈空袭，蒙受了巨大损失。山本命令正在南太平洋活动的联合舰队之前进部队抽调兵力，第三次组织对瓜岛机场的炮击。山本五十六的副手，日本第二舰队司令近藤信竹中将从各地调集了1艘战列舰（雾岛）、2艘重艘巡洋舰（爱宕、高雄）、2艘轻巡洋舰（长良、川内）和9艘驱逐舰（照月、电、五月雨、白云、初雪、浦波、敷波、绫波、朝云），14日天亮后在瓜岛以北250海里会合，14日八时，近藤亲自指挥这支舰队从预定会合点南下，准备于14日晚二十二时实施对瓜岛亨德森机场的炮击。
近藤将所部的14艘军舰分为三个分队，桥本少将指挥“川内”号轻巡洋舰和3艘驱逐舰（浦波、敷波、绫波）组成桥本分队，负责远距离警戒；木村少将指挥“长良”号轻巡洋舰和4艘驱逐舰（电、白云、初雪、五月雨）组成木村分队，负责直接掩护；近藤以“爱宕”号重巡洋舰为旗舰，亲自指挥余下的1艘战列舰、2艘重巡洋舰和2艘驱逐舰为本队，担任炮击任务。
十四时许行至圣伊萨贝尔岛以北时，收到侦察机报告，在瓜岛以南发现美军巡洋舰4艘和驱逐舰2艘组成的舰队。近藤认为美军主力舰只夜间是不敢进入瓜岛海域的，最多派巡洋舰和驱逐舰进行袭扰，所以决定如果遭遇敌舰，先将其歼灭，再执行炮击任务。十九时许，近藤舰队各分队都已进入了萨沃岛以北海域。
天黑后，李就率领他的舰队驶过铁底湾，前往埃斯佩兰斯角，当军舰通过铁底湾时，海底下大量沉没军舰的钢铁残骸强烈干扰了军舰的罗盘，磁性罗盘的指针不停地来回乱摆，瓜岛上吹来的阵阵凉风，不再是像过去那样弥漫着热带植物腐烂所引起的令人作呕的恶臭，而是散发着金银花的香味——这可是从来没有过的，所以军舰上的很多人都认为这是一种吉兆——胜利在望的预兆。美军的队形是以4艘驱逐舰为前导，2艘战列舰在后，单纵列鱼贯而行，从萨沃岛东南通过。当美舰队从萨沃岛北水道进入铁底湾时，被日军桥本分队发现，日军便从后追赶，李少将推算日军将在二十三时左右到来，就率领美舰队绕着萨沃岛巡逻，严阵以待，当从萨沃岛东南转向西面航行时，李少将的旗舰“华盛顿”号的雷达发现了日军桥本分队，李随即下令向西转舵，横在日军的航线上，作好迎战准备，桥本分队分两路发起了攻击，一路是“川内”号轻巡洋舰和“敷波”号、“浦波”号驱逐舰，从萨沃岛东面进攻，另一路是“绫波”号驱逐舰，从萨沃岛西面发动偷袭。日军还以为美军舰队不过是巡洋舰和驱逐舰组成的，“川内”号自不量力向美舰逼近，直到美军战列舰的406毫米重炮的炮弹落在日舰旁边掀起巨大的水柱，这才意识到美军根本不是巡洋舰，而是强大的战列舰，桥本一面向近藤报告，一面下令施放烟幕，带着三艘日舰急速撤退。而“绫波”号就没那么幸运了，美军通过雷达早已发现了它的行动，迅速转移火力，对它进行集中射击，“绫波”号接连中弹，引起两次爆炸后沉没。
这时，日军木村昌福编队的五艘军舰也从萨沃岛西侧驶来，这五艘日舰紧靠着萨沃岛航行，巧妙隐蔽在萨沃岛的雷达回波中，没被美军雷达及时发现，突然向美舰开火，并发射鱼雷，美军前卫的四艘驱逐舰被打了个措手不及，还来不及做出反应，“沃尔克”号和“普雷斯顿”号就被击沉，“格温”号和“本哈姆”号则受到重创，失去战斗力。在驱逐舰后面的战列舰“华盛顿”号向左转向，“南达科他”号向右转向，以避开前面失去控制的驱逐舰。这就使美军的两艘战列舰在无奈中分散开，陷入各自为战的被动局面。
原本近藤以为桥本和木村两支分队对付美军的巡洋舰和驱逐舰编队是绰绰有余的，所以自己率领本队和另外两艘驱逐舰在萨沃岛西北巡航，全力准备炮击机场而并不是投入海战。但当得到发现美军战列舰的报告后，才急忙赶来参战。首先用探照灯照住“南达科他”号，立即使用鱼雷和舰炮进行集中攻击，“南达科他”号正巧电路发生故障，炮塔失去动力无法开火，全靠灵活的机动才躲过了鱼雷攻击，却被多发大口径炮弹命中，上层建筑被打得面目全非，不得不向西南撤退。这样，李就剩下了旗舰“华盛顿”号一艘军舰，尽管以寡敌众，但李毫不畏惧，凭借着性能优异的雷达，“华盛顿”号准确测定了日舰的位置，随即在雷达指引下实施了精确射击，日军“雾岛”号战列舰在短短七分钟里就被击中九发406毫米炮弹和四十发127毫米炮弹，船舱多处起火，舵机失灵，很快丧失了战斗力。“华盛顿”号在以全部406毫米主炮和部分127毫米副炮轰击“雾岛”号的同时，还以部分127毫米副炮轰击其他日舰，日军重巡洋舰“爱宕”号和“高雄”号都被击伤，为了把“南达科他”号附近的日舰引开，李指挥“华盛顿”号先向西北航行，日舰在其右后方追击一段时间后，近藤见美舰炮火非常凶猛难以取得胜利，不得不放弃炮击机场的计划，于15日凌晨三时下令施放烟幕退出战斗。李紧追不舍，直到日军驱逐舰回过头来向他发射鱼雷，已经没有驱逐舰掩护的李才折回去与“南达科他”号会合，掩护“南达科他”号扑灭大火，抢修破损。
雾岛号战列舰因为舵机失灵，无法跟随近藤撤退，又担心天亮后遭到美军飞机的攻击，就在15日凌晨打开海底阀自沉。日军的“朝云”号驱逐舰也因伤势太重而沉没。在14日的夜战中，美军2艘驱逐舰被击沉，1艘战列舰和2艘驱逐舰被击伤，日军1艘战列舰、2艘驱逐舰沉没，2艘巡洋舰被击伤。至此，断断续续进行了三天的海战才告结束。
在这场持续三天的激烈海战中，美军共沉轻(防空)巡洋舰2艘、驱逐舰7艘，伤战列舰1艘、巡洋舰2艘、驱逐舰4艘，顺利向瓜岛运上6000人的部队以及重装备和给养。日军沉战列舰2艘、重巡洋舰1艘、驱逐舰3艘、运输船10艘，重创运输船1艘，伤巡洋舰6艘、驱逐舰3艘，运送的1.35万人和1万吨物资仅有2000人和5吨物资运上瓜岛。
这是双方争夺瓜岛过程中一次决定性的海战，双方主要目的都是向瓜岛运送援兵和物资，并阻止对方的增援。在海战中，美军的运输比较顺利完成了，日军不仅付出了很大代价，而且所运输人员的85%和物资的99%都损失了，增援企图再次落空。而且通过这次海战，美军获得了瓜岛海域的制海权，加上瓜岛地区的制空权早已为美军所掌握，而日军的联合舰队又在海战中损失巨大，元气大伤，山本认为海军再也无法承受以如此巨大的代价去支援陆军的作战了，从此以后不再派巡洋舰以上的水面舰只前往瓜岛，只使用驱逐舰利用夜间运送少量人员与物资，从而加剧了瓜岛上日军的困难处境。美军则正好相反，在海战结束的第二天，即11月16日又将原在新几内亚的一批部队送上瓜岛，大大加强了瓜岛美军的力量，范德格里夫特认为胜利已经在握了！
日本海军少将田中赖三，也就是海战中日军增援编队的司令，他在自己的日记里认为最后一次大规模的增援努力结束了，这次海战是瓜岛争夺的一个决定性的转折，对于双方而言，海战的胜利就预示着瓜岛争夺的胜利。美军南太平洋战区司令哈尔西中将在这次海战结束后表示，在此之前，日军一直随着自己的意愿而行动，在此之后，日军就只能随着我们的意愿行动了。美国海军总司令欧内斯特·约瑟夫·金上将建议总统和国会晋升哈尔西上将军衔，以表彰他的赫赫战功。——11月26日哈尔西晋升为上将。金上将还认为尽管美军遭受了严重的损失，但取得了决定性的胜利，从此解除了瓜岛所受到的严重威胁。罗斯福总统在卡拉汉和斯科特两将军的追悼会上，宣称：“这次战争的转折点终于到来了！”
哈尔西向全体参战将士发出：“干得漂亮！”的嘉奖电，范德格里夫特也向海军的胜利发来了贺电：“海军陆战队1师全体将士高举经过炮火洗礼的钢盔，谨向你们致以最崇高的敬意！”
瓜岛以北海战的巨大胜利，和同盟国的其他胜利汇成了1942年11月头两周的辉煌：11月3日，英军在阿拉曼击败了德军隆美尔元帅指挥的“非洲军团”；11月8日，同盟国在北非成功实施了代号为“火炬计划”的登陆行动；11月17日，美军和澳大利亚军向新几内亚群岛布纳、戈纳的日军发起反击；11月19日苏军在斯大林格勒开始反攻，包围了德军精锐的第6集团军。——所有这些胜利，使1942年11月初，成为同盟国在二次大战中的最关键的转折时期！
