Погоня длилась около получаса, британские эсминцы развернулись строем фронта, а «Сидней» время от времени чуть отворачивал в сторону, чтобы дать залп всем бортом. Однако успеха он не имел, и итальянские крейсера уже выходили из пролива в открытое море, когда в дело вмешалась случайность, столь часто решавшая исход морских сражений. В 08.21 в переднюю трубу «Сиднея» попал снаряд, проделавший в ней аккуратную дыру, ответ англичан был более убедительным. В 08.25 шедший замыкающим «Коллеони» получил подряд три попадания. Сначала снаряд заклинил руль, лишив крейсер возможности маневрировать, следующий попал в боевую рубку, а третий взорвался в машинном отделении, выведя из строя котлы № 5 и № 6 и перебив главный паропровод. Корабль потерял ход, и его судьба была решена.
Английские эсминцы стремительно приближались, хотя «Коллеони» и пытался отстреливаться из 100-мм орудий, в 08.40 «Хайперион» выпустил 3 торпеды с дистанции около 6700 метров, но промахнулся. Следующий залп дал «Айлекс», и одна из торпед попала под носовой башней «Коллеони». Далее следует не вполне понятный эпизод. Кое-кто из итальянских историков утверждает, что «Банде Нере» повернул было на помощь поврежденному крейсеру, однако австралийские и, самое главное, итальянские прокладки этого не подтверждают. Адмирал продолжал удирать, причем волшебным образом скорость «Банде Нере» возросла до 32 узлов, вероятно, этому способствовало еще одно попадание, которое, впрочем, не причинило особых повреждений.
В 09.30 командир «Сиднея» капитан 1-го ранга Коллинз прекратил погоню, когда в носовых башнях его крейсера боезапас подошел к концу. В башне «А» остались 4 снаряда, а в башне «В» и вовсе один. Тем временем «Коллеони» перевернулся и затонул, британские эсминцы спасли 525 человек, в том числе командира крейсера капитана 1-го ранга Умберто Новаро, однако он через 4 дня скончался от ран. «Банде Нере» вечером того же дня прибыл в Бенгази, откуда отправился сначала в Триполи, а потом на ремонт в Италию, 2-я дивизия крейсеров была расформирована.
Но было бы несправедливо не упомянуть о роли авиации в этом сражении. Адмирал Касарди сразу связался с командующим авиацией на Додеканезских островах, но тот сначала запросил разрешение начальства в Риме. В результате лишь в 11.30 появились 6 бомбардировщиков Sm. 79, которые атаковали эсминец «Хэйвок», но лишь помешали англичанам спасать команду потопленного крейсера. Зато англичане, основываясь на ошибочном предположении, что «Банде Нере» уйдет в Тобрук, нанесли итальянскому флоту еще один болезненный удар. «Суордфиши» авианосца «Игл», действуя с берегового аэродрома, ночью 20 июля нанесли удар по этому порту и потопили эсминцы «Нембо» и «Остро», а также два транспорта.