В 01:05 часовой с бывшей огневой позиции батареи N226 заметил темный силуэт "Адмирала Шеера". Немедленно в эфир открытым текстом ушло соответствующее сообщение, а в порту объявили боевую тревогу. "СКР-19" быстро отдал швартовы, но отойти от причала до начала боя не успел. Через 25 минут крейсер уже прошел вдоль берега острова Старый Диксон и стал приближаться к входу на внутренний рейд. Обнаружили его только когда расстояние между ним и судами составляло уже не более 30-35 кабельтовых.
Первые залпы "Шеер" направил против "СКР-19". 280-мм снаряды прошивали корпус судна насквозь и взрывались уже под ним. "Дежнев" получил, как минимум, четыре 28- или 15-см снаряда, два из которых сделали большие пробоины. Из строя вышли дальномер и два 45-мм орудия. Потери экипажа составили 6 убитых и 21 раненый, из которых один вскоре умер. В 01:46 сторожевой корабль выбрался из сектора обстрела, однако полученные повреждения привели к тому, что он сел на грунт в мелком месте. За время боя его артиллеристы выпустили по врагу 35 76-мм и 68 45-мм снарядов, но, к сожалению, не добились попаданий.
Затем "Шеер" сосредоточил огонь на "Революционере". Скрытый дымовой завесой этот пароход получил лишь три попадания. На его верхней палубе вспыхнул пожар. Были разрушены каюты, штурманская и рулевые рубки. Оказался поврежденным и паропровод, подающий пар на брашпиль, в результате чего судно не смогло сняться с якоря и укрыться в Самолетной бухте. Лишь после прекращения обстрела аварийным партиям удалось устранить часть повреждений, после чего пароход вышел из порта через пролив Вега на юг. За ним последовал и транспорт "Кара", к счастью незамеченный немцами.
В этот критический момент открыла огонь 152-мм батарея. Ее стрельбу немцы классифицировали как довольно точную, несмотря на значительную дистанцию и плохую видимость. Всплески падений наблюдались в 500-2000 м от крейсера и оценивались, как от 130-мм снарядов. Место батареи противнику определить не удалось – и, не желая рисковать, Меендсен-Болькен лег на обратный курс, в 01:46 приказал прекратить огонь и спустя четыре минуты "Адмирал Шеер" скрылся за полуостровом Наковальня. За время этого эпизода боя крейсер израсходовал 25 280-мм, 21 150-мм и 32 105-мм снаряда.
Двигаясь в северном направлении вдоль побережья крейсер последовательно бомбардировал береговые объекты: с 02:14 до 02:23 станцию наблюдения за туманами на острове Большой Медвежий (226 105-мм снарядов); с 02:19 до 02:45 северное побережье острова Диксон (с перерывами, 76 150-мм снарядов). Главная же атака началась в 02:31, когда, продолжая обходить остров Новый Диксон, "Шеер" вновь ввел в дело главный калибр, по объектам порта и радиоцентру. Не наблюдая противника ответный огонь повели "СКР-19" и батарея N569. Примерно через 15 минут броненосец показался из-за острова, что позволило советским артиллеристам более точно определить местонахождение цели. В 02:43 рейдер прекратил огонь, но спустя пять минут возобновил его по жилому городку. В 02:57, очевидно узнав, что цифра израсходованного для стрельбы по Диксону боезапаса приближается к шестой части нормального боекомплекта (на финальном этапе бомбардировки выпущено еще 52 280-мм и 24 150-мм снаряда) Меендсен-Болькен приказал прекратить стрельбу.