Am 18. Mai hatte Admiral Lütjens entschieden, mit der Prinz Eugen und der Bismarck, die im Grimstadfjord ankerten, den Durchbruch in den Atlantik durch die Dänemarkstraße zu wagen. Dabei wurden sie von einer britischen Spitfire fotografiert. Der britische Vizeadmiral Tovey ließ daraufhin in der Nacht vom 21. Mai den britischen Schlachtkreuzer Hood und die Prince of Wales auslaufen, um die Deutschen abzufangen. Trotz sehr schlechten Wetters konnten die Schiffe Fahrt gut machen auf die deutschen Schiffe. Kurz nach 8 Uhr morgens am 23. Mai empfing man an Bord der Hood die Nachricht, dass die Bismarck gefunden worden sei. Nach Admiral Hollands Berechnungen befand man sich etwa 260 Seemeilen nördlich der Deutschen. Gegen Mitternacht gab er Befehl, die Schiffe klar zum Gefecht zu machen; doch nach wenigen Minuten widerrief er den Befehl, da die Suffolk den Kontakt zum Feind verloren hatte. Gegen 3 Uhr morgens erhielt Holland die Nachricht, dass man die Bismarck wiederentdeckt hatte. Er gab Befehl, mit voller Kraft auf die deutschen Schiffe zuzufahren und gegen 4 Uhr hatte er sich bis auf 20 Seemeilen angenähert.

Um 5:30 Uhr gab Holland Signal für sofortige Gefechtsbereitschaft und etwa 25 Minuten später sichtete man am Horizont an Steuerbord querab die Umrisse zweier deutscher Schiffe. Am 24. Mai gegen 5:52 Uhr eröffnete die Hood aus 12 Seemeilen Entfernung mit ihren 381-mm-Kanonen das Feuer. Wenige Sekunden später feuerten auch die 355-mm-Geschütze der Prince of Wales. Kurz darauf erwiderten die Bismarck und die Prinz Eugen das Feuer. Zu Beginn der Schlacht hatte die Hood auf die Prinz Eugen geschossen. Der Kapitän der Prince of Wales hatte den Fehler bemerkt und richtete ihre Geschütze auf die Bismarck, jedoch ohne einen Treffer zu erzielen. Drei Minuten nachdem man das Feuer auf die Deutschen eröffnet hatte, gab Holland Befehl, 20 Grad nach Backbord zu drehen, um auch die hinteren Geschütze seiner Schiffe nutzen zu können. Doch als die britischen Schiffe wendeten, traf eine Salve der Bismarck die Hood mittschiffs, die Munitionskammern des Schlachtkreuzers explodierten. Nur drei Mann überlebten die Zerstörung des Schiffes. Das Feuer der deutschen Schiffe richtete sich nach dem Untergang der Hood nun auf die Prince of Wales, die innerhalb kürzester Zeit mehrere schwere Treffer hinnehmen musste. Nachdem mehrere Geschosse die seitliche Panzerung durchschlagen, ein weiterer Treffer ihre Brücke zerstört hatte und zudem einer ihrer Geschütztürme ausgefallen war, drehte sie um 160° nach Backbord, nebelte sich ein und zog sich zurück.
Die Prince of Wales erzielte selbst insgesamt drei Treffer auf der Bismarck, darunter auch einen Treffer im Vorschiff, der dieses vollständig durchschlug und die dortigen Treibstofftanks beschädigte,