炮战中，狡猾的日军决定采取新战术：首先实施远距离鱼雷偷袭，而后乘敌方混乱之际迫近猛攻，一举歼灭盟军舰队。日军第2鱼雷战队冒着呼啸的炮弹，向9000米位置上突进；西村少将指挥的第4鱼雷战队，在掩护运输船队北撤之后，也加入了攻击行列；支援队中的“潮”“涟”“山风”“江风”号4艘驱逐舰也会同各战队一齐向盟军舰队进攻。
下午6时5分，日舰秘密发射了第一批鱼雷。43枚鱼雷拖着蓝白色的尾浪向盟军军舰扑来。同时，“那智”号和“羽黑”号用203毫米的大炮持续向盟军旗舰“德鲁伊特尔”号射击，日驱逐舰则在炮火掩护下紧急进行鱼雷装填，为第二次鱼雷攻击做准备。可是，日舰第一次远距离发射的鱼雷，因距离过远而全部落空。日军断然进行突击决战：第5战队所有大炮加快射击速度，炮火愈加炽烈；第2鱼雷战队在田中赖三少将指挥之下，以“神通”号为前锋，将8艘驱逐舰排成一列，向盟国舰队作肉搏式强袭；以“那珂”号领先的第4鱼雷战队高速向盟国军舰接近，准备再次抵近发射鱼雷。多尔曼少将毫不畏惧，指挥各舰勇猛还击，盟国军舰发出的炮弹像雨点似的向日舰倾泻过去。
交战已近一小时，双方难分胜负。爪哇海面上到处漂浮着油污和死者的断体残肢，还有垂死挣扎的落水者，场面惨烈无比。
日舰在弹雨中向前猛冲，准备驶抵6000米时再实施鱼雷攻击。不料，驱逐舰“时津风”号被一弹命中，舰上的小艇被炸成碎片凌空飞舞。惊恐失措的“时津风”号立即施放烟幕以蔽其行踪。然而，蒙蒙烟云反而遮蔽了正在猛烈向前突进的邻舰的视线。当日舰逼近到7000米时，为防不测，田中赖三下令攻击，“神通”号首先发射鱼雷，“雪风”“时津风”“天津风”“初风”号4艘驱逐舰迅速展开鱼雷攻击。“潮”“涟”“山风”“江风”号4艘驱逐舰也不失时机地向盟国军舰施放鱼雷。40余枚鱼雷在海面飞蹿，盟国舰队形势十分危急。
多尔曼少将仍旧临危不惧，率舰队突然向外方作90度大回转，同时放出浓浓的烟幕。多尔曼少将这一大胆而巧妙的规避运动挽救了盟国舰队。
下午6时48分，一艘日舰受重伤，退出战场前向盟国军舰射出最后一炮。不料这一炮正击中盟国军舰“埃克塞特”号的锅炉，把大蒸汽管给炸裂了，14人当即死亡。该舰受伤很重，航速降至15节。“佩思”号恐其再度遭到日舰攻击，立即施放烟幕进行掩护，其他各盟国军舰亦奉命向冲过来的日舰炮击。
晚7时，多尔曼重整队形，率舰队转向东南方退却。日舰为了保证登陆兵力的安全，也向北退避，然而双方仍炮击不止，并互射鱼雷。此时，多尔曼少将仍然希望能成功地避开日护航舰队而捕捉到那群对爪哇战局至关重要的日军运输船队。
晚10时30分，多尔曼率舰队沿海岸西驶，不幸驶进盟军自己布设的雷区，“丘比特”号驱逐舰触雷爆炸沉没，多尔曼只得下令远离雷区向北搜索。此时盟国军舰弹药逐渐告罄，舰员深感疲劳，盟军舰队渐渐处于不利境地。
28日零时40分，盟国舰队突然发现日舰“那智”“羽黑”号趁月色南航，位于盟军舰队左正横方向，相距不到6000米，盟国军舰措手不及，失去攻击机会。几分钟后，日舰忽然掉头北驶，并在相距7200米、方位70度的绝好位置上，向盟国军舰发射了12枚鱼雷，盟国舰队旗舰“德鲁伊特尔”号及“爪哇”号巡洋舰躲闪不及，皆被命中，两舰在熊熊大火中很快就沉没了。多尔曼在旗舰被击中后，命令仅存的美巡洋舰“休斯敦”号、澳巡洋舰“佩思”号退至丹戎不碌港（雅加达湾内），他自己与旗舰同归于尽。
爪哇海战结果，盟军被击沉巡洋舰2艘，伤1艘，被击沉驱逐舰3艘；日军损失9艘运输船，伤巡洋舰、驱逐舰多艘。经此一战，盟军赖以保卫爪哇岛的海上力量趋于崩溃，盟军舰队虽奋力苦战，然大势已去，无力扭转败局，泗水海战仅仅使日军的登陆比预定时间推迟了一天。
1942年2月28日凌晨，美国重巡洋舰“休斯敦”号和轻巡洋舰“佩思”号从泗水战场逃脱，于清晨7时抵达爪哇岛西部的丹戎不碌海军基地。19时30分，这两艘巡洋舰和荷兰驱逐舰“埃弗森”号出港，向西开进，准备当晚乘夜幕突破巽他海峡，驶往爪哇岛南岸的芝拉扎。在向西航进途中，接到情报日军第16军主力部队2月18日搭乘50余艘运输船从金兰湾出发，将于2月28日夜在爪哇岛雅加达湾（又称万丹湾）登陆。于是，决定潜入雅加达湾实施夜袭。
日军第16军司令官今村均中将已经获悉雅加达海面有潜伏盟国军舰的情报，原打算将运输船队暂避于海峡南口，由护航舰队首先出击，待击溃盟军残余舰只后再行登陆。但考虑到附近没有严重敌情，且自恃自己实力雄厚，有12艘驱逐舰护航，遂决定强行登陆。
盟军飞机凌空投放照明弹，日舰形迹暴露无遗，立即成了活靶子。日本运输船队冷不防遭到“休斯敦”号和“佩思”号的攻击，秩序大乱。在此危急之际，日驱逐舰队赶来驰援。刹那间，曳光弹的弧影在夜空中相互交错，照明弹和探照灯互相交映，将猛然上喷的粗大水柱照得雪亮。日舰火力大增，盟国军舰势单力孤，渐趋劣势。让盟军方面没有想到的是，日军的驱逐舰在混战中，自相残杀起来。今村均乘坐的指挥船“龙城”号首先遭到己方鱼雷的误伤，爆炸后迅即沉没。正在甲板上指挥的今村被爆炸的气浪抛进海里，在水中漂游了3个小时后才被人救起，险些丧命。
3月1日零时10分，盟国军舰“休斯敦”号被203毫米炮弹击中，舰上汽管被炸裂，接着又被一枚鱼雷击中，前部主炮塔被毁。零时20分，第二炮塔底部又被鱼雷击中，5分钟后被迫弃舰。身经百战的“休斯敦”号终于沉入爪哇海底。这时，“佩思”号也已中4枚鱼雷，在奄奄待毙之际，又连遭6颗枚雷轰击，几乎与“休斯敦”号同时倾覆沉没。与“休斯敦”“佩思”号巡洋舰一同西进的荷兰驱逐舰“埃弗森”号，在途中掉队，被日舰击伤后俘获。
雅加达海战是爪哇海面进行的最后一场海战，盟军不仅没有阻止住日军从海上登陆，反而使残存的盟军舰队再次损兵折将。这样一来，爪哇岛的盟军地面部队完全处于束手待毙的境地了。
面对险恶局势，早在2月28日拂晓，美英荷澳联合海军司令部就做出决定：剩余舰只火速经龙目海峡、巽他海峡向外突围。
为了阻止盟军撤离，并防止美太平洋舰队前来增援，日军大本营指令南云忠一率领机动部队和近藤信竹率领南方部队主力绕到爪哇岛以南海域活动。
曾参加泗水海战，中途回泗水港加油的4艘美国驱逐舰——“爱德华”“奥尔登”“福特”“保罗·琼斯”号，于28日出港东行，计划经由巴厘海峡南撤。3月1日凌晨在巴厘岛与3艘日本驱逐舰遭遇，进行短促炮战后继续前进，于3月4日安抵澳大利亚的弗里曼特尔。
在泗水海战中受创的英国巡洋舰“埃克塞特”号，因吃水较大，不能同4艘美国驱逐舰同行，决定通过巽他海峡撤往锡兰（今斯里兰卡）科伦坡。在英国驱逐舰“因康特”号和美国驱逐舰“波普”号护卫下，2月28日夜，从泗水起航，从巴韦安岛以东驶向婆罗洲，然后沿近岸水域西行。3月1日上午9时左右，在巴韦安岛西北方被日军侦察机发现。“埃克塞特”号与“因康特”号被日舰炮和鱼雷击沉，“波普”号逃向岸边，被日机炸毁。
停泊在芝拉扎的几艘军舰于3月1日出海南撤，途中遭到日机袭击，受到一些损伤，但多数撤至澳大利亚。芝拉扎港内仍有一些舰船，南云于3月5日派舰载机空袭，击沉大型商船4艘、中型商船15艘。
至此，日军彻底解除了盟国舰队在爪哇岛地区的威胁，完全控制了荷属东印度各海域。
在日军主力东西夹击爪哇岛的过程中，盟军在爪哇海中共损失巡洋舰5艘、驱逐舰6艘，而日军仅损失1艘运输船和1艘扫雷艇，另有8艘驱逐舰和3艘运输船被击伤，经过抢修又参加了而后的作战。此战，日军并不在兵力上占有绝对优势，而且是劳师远袭，背着一个保护大量输送船只的包袱，盟军虽然轻装上阵，以逸待劳，却以失败告终。究其原因，与盟军在作战指挥方面存在的一系列失误和问题有关，例如，战前准备不足、空中侦察不力以及与友邻部队缺乏协调等。
海战的胜利，为日军南下占领爪哇岛打开了大门。
日军攻占爪哇岛的地面作战企图是：三路大军同时实施登陆，一举把东西长达1100多公里的细长岛屿——爪哇岛切割成三大块，然后发起猛烈进攻，夺占战略要地，歼灭守岛主力，迫敌投降，迅速平定全岛。
3月1日上午2～6时，三路日军在东西相距将近1000公里的三处同时登陆上岸，几乎没有遇到大规模的顽强抵抗，就登陆成功。为了夺取制空权，保证日军顺利实施空中打击，他们首先把进攻的矛头指向了机场。中路东海林支队负责占领卡里加齐机场并切断首都雅加达到军事基地万隆要塞之间的通路。该支队的敢死队上陆后，于11时半攻入卡里加齐机场。守军顽强抵抗了一个小时。到12时30分，日军完全占领了机场。
3月2日，远藤三郎少将指挥的第3飞行集团150架飞机进驻卡里加齐机场。卡里加齐机场对荷兰军队来说至关重要。失守后，荷军企图夺回来。3月3日黎明，荷兰空军先来袭击，上午11时半，荷军出动60辆坦克发起第一次反攻。下午2时，荷军兵力增加到120辆坦克，展开第二次反击。日军兵力处于劣势，不得不拼命死守。日军一个炮兵分队挡住荷军坦克进行猛烈抵抗，最后被荷军坦克碾死。第3飞行集团此时发挥了作用，反复出击，并施行低空轰炸，终于打退了荷军的反击。
东路日军第48师团负责攻占东部大城市泗水，得手后以该城为基地，征讨爪哇的东半部，最后夺占该岛南部中央的重要军港芝拉扎，切断了澳大利亚到爪哇的海上交通联系。
西路日军主力部队在雅加达湾登陆后，迅速于3月5日攻占首都雅加达，3月6日占领王宫所在地茂物市，而后向军事要塞万隆进军。守军一路设置路障，炸毁桥梁，阻塞街道，但最后还是于3月8日被迫投降。
3月9日，荷属东印度代总督只身逃亡澳大利亚，守军全无斗志，荷属东印度军事当局被迫向日本宣布投降。在日军进攻荷属东印度战役中，日军共俘获盟军8万余人，缴获飞机177架。日军伤亡约1.2万人。
日军把下一个进攻目标锁定在缅甸。缅甸是通向中国和太平洋的西大门，是日军南进的另一个重要目标。英国在缅甸的守军只有一个缅甸师、一个印度师、一个澳大利亚旅和两营英军，总共约3.5万余人。
日军进攻缅甸的作战计划是：切断中国与西方联系的唯一交通线——滇缅公路，断绝英美援华战略物质，孤立中国，以促使中日战争的早日结束；伺机进犯印度，以便和德国在中东会师。
1941年12月中旬，日军第15军先遣队进入丹那沙林，奇袭了三个机场，切断了缅甸至马来西亚的通道，阻止了英军对马来西亚的支援。1月24日，日军越过泰国向缅甸重镇毛淡棉发动进攻，31日占领了毛淡棉。接着，日军兵分两路北进。3月8日，西路日军占领仰光。
4月初，东路日军沿着伊洛瓦底江北上，向缅甸重镇曼德勒进攻，企图切断滇缅公路。4月中旬，日军首先击溃了防守曼德勒以南的6万英军，夺取了安羌油田。接着，与史迪威将军指挥的中国军队在腊戍地区展开激战。中国军队抵挡不住装备优良的日军，开始撤退。31日，日军占领腊戍。日军持续穷追，沿途不断轰炸扫射。
战至5月28日，英军历尽千辛万苦，以伤亡1万余人的代价，撤到印度的因帕尔城；中国军队一部退往印度，大部退到中国云南南部，凭怒江天险挡住了日军的强大攻势。随后，日军占领了整个缅甸，切断了盟国的援华道路，打开了西进的大门。
从1941年12月7日到1942年5月上旬，日军势如破竹，横扫东南亚，相继侵占了泰国、中国香港、马来西亚、菲律宾、荷属东印度、缅甸以及太平洋上的一些有战略意义的岛屿和城市，统治面积达380万平方公里。