В 16.17 радар «Дьюк оф Йорка» на дистанции 45 500 ярдов обнаружил нечто, впрочем, на борту английского флагмана никто не стал гадать, что это за корабль. Фрезер намеревался открыть огонь, когда дистанция сократится до 12 000 ярдов, эсминцы получили приказ воздержаться от торпедной атаки до особого распоряжения. Немецкий корабль оказался в капкане, вырваться из которого было крайне сложно, единственным козырем «Шарнхорста» оставалась высокая скорость. В 16.44 «Дьюк оф Йорк» повернул немного вправо, чтобы вести огонь всем бортом, а через 3 минуты дал залп из 133-мм орудий осветительными снарядами. Одновременно это же сделал «Белфаст».
И снова немцы оказались застигнуты врасплох, к своему огромному изумлению, в мерцающем свете ракет англичане увидели, что башни немецкого корабля стоят в диаметральной плоскости, по-походному. Хотя адмирал Бей отреагировал немедленно, повернув «Шарнхорст» на север, чтобы постараться уйти от противника, его положение было почти безнадежным. Снаряд первого же залпа британского линкора в 16.52 попал в башню «Антон» и заклинил ее. В погребах начался пожар, их затопили, одновременно залив и погреба башни «Бруно». Впрочем, эти удалось быстро осушить, и башня снова начала стрелять. Один из снарядов третьего залпа «Дьюк оф Йорка» уничтожил ангар «Шарнхорста» и перебил расчеты зенитных орудий, установленных рядом. Еще один снаряд повредил систему вентиляции башни «Бруно», и та после каждого залпа заполнялась едким дымом.
В 16.57 «Шарнхорст» встретили подходившие с севера «Норфолк» и «Белфаст», которые тоже открыли огонь, поэтому адмирал Бей был вынужден повернуть на восток. В этот момент эсминцы «Сэведж» и «Сомарец» оказались недалеко от линейного крейсера, и английские же осветительные снаряды выдали их. «Шарнхорст» обстрелял эсминцы, и те отвернули, так как Фрезер не дал приказа на торпедную атаку. Снова начался самый нудный вариант сражения — бой на отходе. «Дьюк оф Йорк» стрелял из носовых башен, «Шарнхорст» отвечал из кормовой. Стрельба немцев в это время была неточной, «Шарнхорсту» удалось всего лишь перебить стойку треногой фок-мачты «Дьюк оф Йорка», «Ямайка» получила несколько осколочных пробоин — и все.
Расстояние между противниками понемногу, но увеличивалось, все-таки «Шарнхорст» имел небольшое преимущество в скорости. И дальше начинается самый непонятный отрезок морского боя у Нордкапа, казалось бы, хронология событий подтверждается показаниями спасшихся моряков «Шарнхорста», но при этом все они противоречат элементарной логике.