Лангсдорф не пытался оторваться от противника, но все-таки повернул влево, намереваясь вести бой на параллельных курсах вместо стремительного броска на противника. Легкие крейсера шли параллельным курсом, понемногу сокращая дистанцию, "Эксетер" повернул на обратный курс и начал быстро сближаться. Главный калибр "Графа Шпее" открыл огонь с дистанции 10,5 миль. Когда дистанция стала на 1 милю меньше, "Эксетер" начал отвечать из своих 8" орудий. Стрельба немцев была великолепна, они накрыли "Эксетер" третьим залпом, а через 4 минуты добились попадания. "Эксетер" тоже накрыл противника третьим залпом. Тут же в бой на предельной для себя дистанции вступили "Аякс" и "Ахиллес". Сначала Лангсдорф никак не мог решить, по кому стрелять. Он приказал носовой башне обстрелять легкие крейсера, потом перенацелил ее обратно на "Эксетер". Это снизило эффективность огня "Графа Шпее". Но "Эксетер" вскоре получил попадание во вторую башню 670-фн снарядом. Башня была разрушена, мостик изрешечен осколками, которые перебили и ранили всех людей, кроме троих. Рулевое управление и средства связи были повреждены, корабль потерял управление. Капитан 1 ранга Ф.С. Белл восстановил управление с кормового поста, используя шлюпочный компас и цепь моряков для передачи приказов с мостика на кормовой пост. Крейсер снова вступил в бой.
"Эксетер" выпустил торпеды с правого борта, но "Граф Шпее" повернул и поставил дымзавесу. Он пытался помешать торпедной атаке легких крейсеров, оставив их за кормой, и теперь двигался параллельно "Эксетеру". Поворот "Графа Шпее" позволил ему уклониться от торпед "Эксетера", поэтому крейсер развернулся и выпустил торпеды из аппарата левого борта. Затем он снова лег на параллельный курс, продолжая получать попадания 11" снарядов. Затопления в носовой части заставили его сесть носом на 3 фута, крейсер имел крен 7<0176> на правый борт. Носовая 8" башня была разбита. Во многих местах возникли пожары, но кормовая башня продолжала стрелять самостоятельно. Артиллеристы использовали башенный дальномер и прицелы, а не информацию с КДП.
Тем временем легкие крейсера описали циркуляцию за кормой "Графа Шпее" и попытались сократить дистанцию, выйдя на противоположный борт. Оба корабля "шли на выстрелы" — то есть двигались прямо на всплески падений, пытаясь сбить с толку германских наводчиков. Это удавалось в течение 15 минут, но потом под бортом "Ахиллеса" взорвался снаряд, который осыпал осколками весь корабль. Этот близкий разрыв вызвал потери среди моряков в надстройках, особенно в КДП на мостике. Теперь КДП "Ахиллеса" давал неправильные установки, но расчеты башен продолжали следовать им. Так как никто не приказал башням вести огонь самостоятельно, стрельба "Ахиллеса" стала совершенно неточной, пока не были заменены погибшие в КДП. Тем временем самолет-корректировщик "Аякса" спутал всплески "Ахиллеса" и "Аякса" и полностью сбил наводку и своему кораблю. Его снаряды тоже начали ложиться далеко от цели. Однако Лангсдорф был слишком занят "Эксетером", чтобы воспользоваться замешательством на легких крейсерах.
После того, как легкие крейсера справились с затруднениями, Харвуд приказал им как можно быстрее сократить дистанцию. Это был рискованный маневр, так как он временно уменьшал огневую мощь англичан. Во время этого броска кормовые башни легких крейсеров не могли стрелять. Тем не менее, Харвуд сорвал банк. "Граф Шпее" круто отвернул от легких крейсеров и пошел на "Эксетер", который, еле передвигаясь, старался выйти из боя. На нем вышла из строя и кормовая башня. "Граф Шпее" перенес огонь кормовых 11" орудий на "Аякс" и "Ахиллес". Носовая башня продолжала стрелять по "Эксетеру". Все это время 5.9" орудия карманного линкора стреляли по всему, что попадало в их поле зрения, но без особого результата.
Харвуд сразу понял, в какое опасное положение попал "Эксетер". Он приказал легким крейсерам изменить курс, чтобы ввести в действие все орудия. С короткой дистанции 5,5 миль они обрушили на "Графа Шпее" ливень 112-фн снарядов, вынудив Лангсдорфа отвернуть, оставив "Эксетер" в покое. Немцы сосредоточили весь огонь на легких крейсерах. "Аякс" выпустил 4 торпеды, которые прошли мимо. Наконец "Аякс" заплатил за свою смелость, когда 11" снаряд разбил обе его кормовые башни. "Граф Шпее" тоже выпустил торпеды, но самолет "Аякса" заметил их, и крейсера легко уклонились. Когда дистанция сократилась до 4 миль в ход пошли даже 4.1" орудия "Графа Шпее". Снаряды вздымали фонтаны воды вокруг легко бронированных крейсеров, только умелое маневрирование и удача спасали их от рокового попадания. Харвуд приказал развить максимальную скорострельность и под прикрытием дымзавесы выходить из боя. Битва длилась 1,5 часа.
"Граф Шпее" получил около 20 попаданий, в основном 6" снарядами. Многие попадания не причинили никакого вреда. Например, 2 снаряда просто ударились о толстую броню кормовой башни, часть британских снарядов не взорвалась. Однако и остальных попаданий хватило, чтобы изрешетить надстройки. Карманный линкор потерял 36 человек убитыми и 58 ранеными. Сам Лангсдорф получил 2 осколочных ранения и был контужен. Шлюпки карманного линкора были уничтожены, многие вспомогательные орудия не могли стрелять, так как были разбиты их элеваторы, прямым попаданием было уничтожено 5.9" орудие. Много оборудования было выведено из строя. В палубе и бортах зияли пробоины, включая дыру в 6 квадратных футов возле ватерлинии и чуть меньшую пробоину ниже ее.
Легкие крейсера теперь держались за кормой "Графа Шпее", намереваясь преследовать его до темноты, после чего они могли сблизиться, уже не подвергая себя опасности. Поврежденный "Эксетер" медленно пополз на Фолклендские острова, потеряв 53 человека убитыми и многих ранеными. Командир "Графа Шпее" стоял перед трудным выбором. Беглый осмотр убедил его, что корабль недостаточно мореходен, чтобы прорваться в Германию. С этого момента все его мысли и поступки были направлены на сохранение корабля и экипажа. Он не смог правильно оценить ни тактическую, ни стратегическую ситуацию. Лангсдорф повернул в Монтевидео, отвергнув Буэнос Айрес, так как ил на мелководье в устье Ла Платы мог забить систему охлаждения дизелей. Так как Уругвай сохранял нейтралитет, он ожидал интернирования своего корабля.
Всю остальную часть дня и весь вечер 3 корабля медленно двигались к Монтевидео. "Граф Шпее" дал несколько залпов, когда преследователи подходили слишком близко. Он сочетал артогонь с дымзавесами. Во время этого странного перехода на пути карманного линкора оказался британский пароход "Шекспир". Его экипаж, как заколдованный, уставился на дула 11" орудий, даже не пытаясь покинуть судно. Лангсдорф хотел потопить его и даже радировал крейсерам, чтобы они подобрали экипаж. Однако видя, что люди остаются на борту, он отменил свой приказ. Германский капитан не хотел создавать прецедент, который мог ухудшить отношение к нему и его экипажу в нейтральном порту.
У англичан имелись свои проблемы. Во второй половине дня они заметили корабль, который приняли за германский тяжелый крейсер. Но это оказалось торговое судно с характерной трубой. Погоня продолжалась. Харвуд предположил, что "Граф Шпее" может попытаться прорваться в океан после наступления темноты. В этом случае немцы могли либо проскочить мимо крейсеров, либо просто уйти от них на высокой скорости, так как имели большую дальность плавания. Карманный линкор мог даже попытаться настичь поврежденный "Эксетер". В полночь Харвуд с огромным облегчением увидел, как "Граф Шпее" встал на якорь в Монтевидео. Его крейсера заняли позиции на выходе из порта, ожидая подкреплений и возможности дозаправиться топливом.
Время стало решающим фактором для Лангсдорфа. Ему позволили оставаться в порту достаточно времени, чтобы отремонтировать шлюпки и обшивку, однако он не мог дать англичанам время подвести подкрепления. Его запрос относительно времени ремонта и использования мастерских открыл дипломатическую битву относительно прав военных кораблей воюющих сторон. Лангсдорф запросил у уругвайского правительства 2 недели, заявив, что немореходное состояние его корабля оправдывает такой запрос. Англичане официально потребовали, чтобы "Графу Шпее" либо дали всего 24 часа, либо вообще интернировали. В то же время англичане попытались удержать Лангсдорфа в порту, приказав своим торговым судам покидать Монтевидео по 1 судну в день. Так как международные законы говорили, что торговому судну, покидающему нейтральный порт, следует дать фору 24 часа над военным кораблем противника, англичане надеялись просто приковать карманный линкор к месту и успеть перебросить в этот район подкрепления. Встретившись с прямо противоположными требованиями, уругвайцы нашли компромисс, разрешив "Графу Шпее" оставаться в порту 3 дня, начиная со следующего дня после прибытия, когда было завершено обследование состояния корабля.
