空母フォーミダブルの攻撃
決定的なこの瞬間、空母フォーミダブルから発進した航空機がイタリア艦隊を攻撃した。イタリア側はこれを撃退し、双方ともに目立った損害を受けることはなかった。戦艦ヴィットリオ・ヴェネトは離脱を図ったが、カニンガム提督率いる英艦隊は執拗に追撃を続けた。
フォーミダブル所属の雷撃機5機が再びヴィットリオ・ヴェネトに襲いかかった。さらに午後3時30分には、同艦は高高度から英国空軍（RAF）機の攻撃も受けた。こちらは命中弾こそなかったものの、対空砲火の注意を引きつけることに成功し、その隙にフォーミダブルの雷撃機が波すれすれの超低空で突入することができたのである。
魚雷が命中
ヴィットリオ・ヴェネトは針路を変え、敵に対して艦尾――最も被弾面積の小さい部分――を向ける機動を行った。以降、イタリア艦隊は縦隊で進入してくる雷撃機に集中砲火を浴びせた。攻撃隊を率いていたデイリエル＝ステッド大尉は魚雷を投下した直後に撃墜され、彼の機は魚雷が目標に届く前に波間に消えた。しかし投下された魚雷は左舷に命中し、4,000トンもの海水が流れ込む大破口を開いた。
ヴィットリオ・ヴェネトはタラントへ向けて退避を開始した。当初10ノット、やがて20ノットへと速度を上げた。それでも夜幕が下りるまでに英艦隊に追いつかれないだけの速力は、まだ残されていたのである。
夕暮れの攻撃と「ポーラ」被雷
午後7時30分、日没から約半時間後、「アルバコア」6機と「ソードフィッシュ」4機が、ヴィットリオ・ヴェネトを中心に5列の縦隊を組んでいたイタリアの巡洋艦・駆逐艦群を攻撃した。イタリア側の対空射撃は極めて正確で、サーチライトも眩いばかりだった。航空機は編隊を崩されたものの、各機は単独で攻撃を続行した。そのうちの1機が10,000トン級巡洋艦「ポーラ」に魚雷を命中させた。当時は確実な識別ができず、カニンガムはしばらくの間、それがヴィットリオ・ヴェネトであることを期待していた。
ユトランド以来の夜戦への決断
追撃戦は夜に入っても続いた。英国艦隊がこのような海戦を経験するのは、25年前のユトランド沖海戦以来初めてのことであり、前年からの絶え間ない訓練にもかかわらず、すべてが順調に運ぶという保証は誰にもなかった。それでもカニンガムは、どんな危険を冒してでも夜戦を選んだ。翌朝、ドイツ空軍（ルフトヴァッフェ）と衝突する可能性を考えれば、夜のうちに決着をつける方がはるかにましだったのである。
レーダーが捉えた影
当時ごくわずかな艦しか装備していなかったレーダーを持つ英巡洋艦「エイジャックス」が、停止した大型艦を捕捉した。カニンガムはそれがヴィットリオ・ヴェネトであることを期待して現場へ急行した。そして進むうちに、夜の闇の中を英艦隊の前方へ横切っていく他の3隻――大型2隻と小型1隻――を目撃したのである。
空母フォーミダブルは近接夜戦では役に立たないため退避したが、戦艦ウォースパイト、ヴァリアント、バーラムはわずか4,000メートルという信じられないほどの至近距離から砲門を開いた。駆逐艦グレイハウンドのサーチライトが敵艦を照らし出した。午後10時28分、今度は戦艦たちがサーチライトを一斉に点灯させ、ウォースパイトが放った381ミリ砲6発の初斉射が目標に命中した。続く斉射も次々と敵艦を打ち据えていった。
「松明のように燃え上がる艦」
「砲塔全体が、その他多数の重い破片が空中に舞い、海中へ沈み込むのが見えた。あっという間に艦そのものが船首から船尾まで松明のように燃え上がった」――カニンガムは後にこう記している。その目標となったのは、重巡洋艦「フューメ」であった。
イタリア艦隊は完全に不意を突かれた。付近に大型の英艦が存在することを知らず、しかもサーチライトなしでは203ミリ砲を夜間に有効に運用できなかったのである。イタリア巡洋艦に同行していた駆逐艦3隻は英艦隊への反撃に転じたが、英艦隊はこれを振り切って離脱した。戦闘はわずか4分半で終わり、英艦が接触を断ったとき、フューメとザラはすでに沈みつつあった。