圣克鲁斯航母大战的胜果使日军大本营确信，只要再坚持一下就能夺回瓜岛，因此，11月初，夜间赶运的“东京快车”又加快了速度，使瓜岛的日陆军部队超过了美军兵力数千人。但是，山本认为这种小规模的逐次增兵的方法只是权宜之计，他决心组成一支规模空前的“东京快车”去增援瓜岛，以一劳永逸地解决问题。11月12日，素以英勇顽强著称的田中海军少将在肖特兰岛完成集结，他将率领11艘快速运输船在11艘驱逐舰的护航下，运载陆军第38师1.35万人于当晚出发，准备突破“槽海”南下。山本的计划是，14日田中编队在瓜岛登陆，在此之前的12～13日夜间，用战列舰编队和巡洋舰编队连续对亨德森机场实施炮击，昼间则用轰炸机对其实施空袭，航空母舰机动舰队在所罗门群岛北面活动，为田中编队提供空中掩护，但避免与美军进行舰队决战。
日军再次集中力量设法夺回瓜岛的企图瞒不过美太平洋舰队的密码专家们，盟军急忙从各地调来增援部队。在罗斯福总统的亲自关注下，一批巡洋舰、驱逐舰和潜艇被增派到南太平洋，又从夏威夷和澳大利亚调来了轰炸机和战斗机。大战已迫在眉睫，金凯德海军少将率领“企业”号航空母舰特混舰队从努美阿出航，其中包括“华盛顿”号战列舰和受创的“南达科他”号战列舰。焊工也随“企业”号出发了，因为时间紧迫，所以不得不边航行边来修理它受伤的舰首部，可前升降机是再也无法使用了。看来哈尔西海军中将从圣克鲁斯海战中学到了行动谨慎这条经验，他指示金凯德：“企业”号无论如何不要进入所罗门群岛以北海域。11月11日，特纳海军少将虽及时地把陆军和海军陆战队约6000人的援兵送到了瓜岛，但这不难被日军发现，卸货作业屡屡被日军的舰载轰炸机和岸基轰炸机打断。12日黄昏，特纳根据侦察机的报告获悉，日军一支重型舰艇部队正直下“槽海”。于是，他令运输船队向东南方向撤离，并从护航舰只中抽出5艘巡洋舰和8艘驱逐舰，由卡拉汉海军少将指挥，前往“铁底湾”，挫败日军即将发起的对亨德森机场的夜袭。
11月12日夜晚，南太平洋的天气闷热，夜空中没有月亮，只有点点星光。形势对卡拉汉很不利，因为日军的阿部弘毅编队除拥有1艘轻巡洋舰和14艘驱逐舰外，还有“比睿”号和“雾岛”号2艘战列舰。卡拉汉海军少将心里明白他的军舰比对手少，但不知道敌人的优势究竟有多大。他只好仰仗战神保佑了，因为现在他已来不及对敌情进行侦察，也来不及制定出一个妥当的作战方案。他仿效斯科特海军少将在埃斯佩兰斯角海战中的战法，采取单纵队队形，5艘巡洋舰居中，前后各配置4艘驱逐舰。卡拉汉又把雷达性能较差的重巡洋舰“旧金山”号作为旗舰。斯科特这次担任卡拉汉的副手，其座舰“亚特兰大”号轻巡洋舰也没有装备新型的对海搜索雷达。13日凌晨1时半，“海伦娜”号轻巡洋舰上的大功率雷达在距日舰14海里处发现目标，并用无线电向旗舰作了报告。可惜，卡拉汉没能正确利用领先几分钟发现敌舰的优势，而是先后两次命令其编队向右转向，意图像斯科特在埃斯佩兰斯角海战时那样，通过上述机动，占领T字横头阵位。航行在最前面的驱逐舰“库欣”号突然发现日军前卫驱逐舰就在其前方，于是立即转舵，致使随后的3艘美驱逐舰发生混乱。为避免碰撞己方驱逐舰，居中的卡拉汉巡洋舰队又向左转向。就这样，日美双方的舰只在夜暗中不知不觉地混杂在一起了。
阿部弘毅也被“发现敌人”的报告弄得惊慌失措，舰上立即发出换上穿甲弹的紧急命令。升降机和炮塔忙个不停，卸下高爆弹，装上穿甲弹，足足花了一刻钟的时间。凌晨1时50分，当“比睿”号的探照灯光透过夜幕照见“亚特兰大”号时，斯科特一看危险，不等卡拉汉的指示，急忙下令“开火！反照射！”5英寸大炮进发出耀眼的闪光，但为时已晚，从2英里外黑森森海面上飞来的敌舰上的第1阵排炮击中了这艘轻巡洋舰。“亚特兰大”号的舰桥当即被炸飞，舰桥上的军官连同斯科特海军少将全部阵亡。卡拉汉的旗舰发出信号：“单数军舰向右舷开火，双数军舰向左舷开火！”他发现他的舰队两侧都是敌舰，一边是战列舰，另一边是巡洋舰和驱逐舰。战斗演变成相互近距离的交火，漆黑的水面上升起一串串耀眼的黄色、朱红色闪光。鱼雷的翻腾航迹不时在激战双方的驱逐舰之间穿来穿去，美舰接连受创，队列被打乱了。“亚特兰大”号中了2条鱼雷，动弹不得。“库欣”号驱逐舰赶去救援，将鱼雷射向敌舰，但是它自己也被“比睿”号的探照灯照住，立即被击中起火。它的姊妹舰“拉菲”号勇敢地发起进攻，但未击中敌舰，却被两发14英寸（356毫米）的日战列舰主炮炮弹炸得稀烂。
美军驱逐舰和巡洋舰的小口径炮弹打在“比睿”号和“雾岛”号上，都被战列舰厚重的装甲弹飞了，战斗开始后那几分钟盲目的慌乱，迫使卡拉汉暂时停火，以便让他的巡洋舰能找准目标。“我们要干掉的是大家伙！”他吼道，“首先瞄准大的！”这竟然成了卡拉汉的最后一道命令。日本人也利用这段间歇调整了部署，再次列队投入战斗。探照灯投向了“旧金山”号，“雾岛”号上的舷侧炮一阵齐射，击穿了这舰美军旗舰的上层建筑，卡拉汉成了这场海战中美军阵亡的第二个将官。跟在其后的“波特兰”号重巡洋舰中了一条鱼雷，舰尾钢板弯曲变形，成了舷的形状，“波特兰”号在原地打起转来，然而其火炮依然不断轰击“比睿”号。轻巡洋舰“朱诺”号的机舱被鱼雷击中，失去了动力。“巴顿”号驱逐舰被劈成两半，逐渐下沉。它的伙伴“蒙森”号鲁莽地打开一束探照灯，旋即燃起熊熊烈火。战斗持续了24分钟后，“铁底湾”上隆隆的炮声静寂了下来，美国军舰上摇晃不停的火光或明或暗，映照出海面上浮着的黑色油层、尸体和污物。“亚特兰大”号勉强行驶，最后不幸触礁沉没。“朱诺”号轻巡洋舰拖着残体刚刚驶出“铁底湾”，就遭日军潜艇攻击，全舰700余名官兵，除少数逃生外，大多与军舰同归于尽，或死于鲨鱼的利齿，该舰的沉没使衣阿华州的托马斯·沙利文夫妇一下子失去了5个儿子，为此美国海军颁布条令，今后不准一家人在同一艘舰艇上服役。
将近1000名美国海军人员，包括两名海军少将，在这场被金海军上将称之为“空前剧烈的海战”中，于1942年11月12日深夜献出了生命，卡拉汉的5艘巡洋舰和8艘驱逐舰，仅有2艘巡洋舰和3艘驱逐舰满身挂彩地返回了基地。但是，卡拉汉巡洋舰编队的英勇牺牲，却使阿部占绝对优势的战列舰编队撤退了。日舰队旗舰“比睿”号被炸坏了罗盘，两艘驱逐舰沉没了，而最令美军感到快慰的是，阿部的过分谨慎战胜了他完成轰击机场任务的使命感，从而失去了在第二天早上戴上胜利者桂冠的资格。13日天一放亮，美军的飞机就撵上了北撤的“比睿”号。联合舰队司令部命令“雾岛”号把它的仍在冒烟的姊妹舰拖走，但是阿部已让“雾岛”号赶紧逃走，只让一艘轻巡洋舰留下对付空袭。“企业”号上的俯冲轰炸机飞临上空，将炸弹倾泻在“比睿”号上，亨德森机场起飞的B-17轰炸机群也加入了攻击行列。下午4时，日本天皇的照片被转移到“夕风”号上后，阿部下令凿沉他的旗舰。这一举动令山本深为震怒，认为阿部再也不配指挥军舰了。
阿部使命的破产，迫使田中的运兵船队返回肖特兰岛暂留24小时，山本决定派出三川海军中将的重巡洋舰编队继续完成战列舰没有执行的炮击任务。这次，附近已没有美国军舰阻挡它们，图拉吉的鱼雷快艇对日军的袭扰也无济于事，几艘重巡洋舰一共向亨德森机场发射了1000多发炮弹，但显然203毫米舰炮的威力要比战列舰356毫米的舰炮威力小得多。13日晚上的炮击给美军修建大队留下了填平跑道上累累弹坑的任务，经过通宵达旦的拼命苦干，到11月14日太阳升起时，工程兵们终于又能让海军陆战队飞行员驾驶“复仇者”式鱼雷机起飞了。
11月14日拂晓，美军侦察机发现两支日军舰船编队：一支是三川的巡洋舰编队，他们完成了夜间炮击任务，正在新乔治亚群岛以南海域向西撤驶；另一支是田中的护航运输队，经由“槽海”南下，正向瓜岛航进。上午10时，亨德森机场的陆战队飞机和“企业”号航空母舰的舰载机很快炸沉了“衣笠”号巡洋舰、“五十铃”号、“摩耶”号以及三川的旗舰。“鸟海”号同时受创。接着，美军飞机集中力量向防御薄弱的运输船队发起攻击。田中的驱逐舰作着蛇行运动，同时以高射炮火回击美机的轮番进攻。14日上午和下午，运输船上的日本兵遭到了一场真正的浩劫，那可怖的情景使那些九死一生的幸运儿终生难忘。高空飞行的B-17轰炸机丢下的炸弹摇摇晃晃往下掉，舰载轰炸机朝着目标呼啸飞来，好像要往海里钻，投完炸弹后又迅速爬升起来。近矢弹激起冲天水柱，浪花四溅，每颗命中的炸弹腾起浓烟和烈火，运输船一艘接一艘中弹，令人作呕地倾斜着，预示着末日即将来临。空袭的飞机离去后，浓烟散去，现出一幅悲惨的景象，水兵们从正在下沉的舰船是纷纷跳入水中逃生。日军遭受的苦难整整延续了一天，夜幕降临时，执意奋进的田中仅仅剩下了4艘运输船和3艘驱逐舰。这时，山本司令长官发来电令，支持田中继续他无异于“蛮干”的突进，同时指派近藤海军中将亲自率领“雾岛”号战列舰、4艘巡洋舰和9艘驱逐舰南下，企图再次炮击亨德森机场。
瓜岛的三天海战即将进入最后一次交锋。哈尔西把挡住日军的全部希望寄托在“企业”号航空母舰特混舰队的2艘战列舰上，他命令威利斯·李海军少将带着“华盛顿”号、“南达科他”号战列舰和4艘驱逐舰离开特混舰队北上，务必堵住敌人的夜袭进路。李海军少将是“美国海军中最聪明的智囊之一”，也是舰载雷达专家。他预料这场夜战将极为艰苦，所以制定了一个审慎的作战方案：在埃斯佩兰斯角附近较为开阔的海域里展开战斗。当晚，李乘坐的旗舰“华盛顿”号驶过“铁底湾”。受水下大量沉舰的影响，战列舰上的磁性罗盘不停地来回转动。岸上吹来的风，过去时常带有浓烈的腐臭味，今夜竟然令人惊奇地弥漫着一股金银花的香味，甲板上的美国水兵认为这是一种吉兆。深夜，月光映出了埃斯佩兰斯角山峦起伏的轮廓，美国的两舰巨型战舰以4艘驱逐舰为前驱，沿着一条东南向的航道通过了萨沃岛。李估计日军将在晚上11时来临。果然，等到预计的战斗时刻临近时，“哗盛顿”号的雷达屏幕发现了敌舰群。
这是近藤编队以“川内”号轻巡洋舰为前导、几艘驱逐舰组成的日军前哨突击舰群。李把军舰拐弯冲西，横在日舰前进的航道上，静候日舰驶近。11时17分，李下令开火。日舰上的观察哨将美军战列舰呈现的细长黑影误认为是2艘巡洋舰，直至16英寸（406毫米）的炮弹激起了巨大水柱，倒霉的“川内”号才赶紧放出浓浓的烟幕掉头撤回。数艘日巡洋舰、驱逐舰从萨沃岛的另一侧摸了过来，在照明弹的强光照耀下，李的4艘驱逐舰首先投入战斗。刚一交手，日舰发射的炮弹和鱼雷就占了上风，美军2艘驱逐舰很快沉入海底，其余2艘失去机动能力，而日军只有一艘驱逐舰被击沉。于是，“华盛顿”号急忙向左转舵，“南达科他”号冲着敌舰向右转舵，以避开失去机动能力的舰只。美国战列舰是在战斗的危急时刻，无奈采取这种各自为战的行动的。这时，近藤编队准备再次发起攻击，由战列舰“雾岛”号、2艘重巡洋舰和2艘驱逐舰组成的主力舰群正从萨沃岛西北方向接敌。日军主力舰群从萨沃岛背面一出现，就炮击了距离较近的“南达科他”号，该舰天线塔被打掉，上层舱室好几处着火，不得不退出战斗。这样，“华盛顿”号现在就要同整个近藤舰队进行较量。李海军少将以己之长，击敌之短，利用雷达指挥射击。李的训练有素的雷达兵测准了敌舰距离，总算救了“南达科他”号，7分钟内，50余发406毫米和127毫米炮弹连续击中“雾岛”号，将它的塔形上层建筑击成了碎片，舷也卡住了，舰身不由自主地打起转来。接着，李转向西北航行一段时间，以便把日舰从美军的伤舰附近诱开，尔后折回去和“南达科他”号会合，“南达科他”号上的舰员正在设法将上层舱室的余火扑灭。
日军驱逐舰仍围着燃烧的“雾岛”号残躯打转。凌晨3时后，近藤海军中将不得不放弃原来的作战企图，令“雾岛”号和2艘无法行动的驱逐舰自沉，然后撤离了战场。但是田中没有辜负自己“顽强者”的浑号，在战列舰决斗的最后阶段，他悄悄地驶向瓜岛塔萨法朗加滩头。山本批准了他提出的孤注一掷的计划：冒着空袭危险派部队抢滩上岸。黎明来临，美海军陆战队“复仇者”式鱼雷机猛攻靠岸的运输船。日本兵顶着猛烈的轰炸和扫射，死命地冲出来，攀着缆绳跳进海水里。这次空袭将田中最后的4艘运输船全部炸毁，把日陆军第38师2000名挣扎上岸的土兵的给养和装备统统炸飞了。
11月12日夜里开始至15日早晨结束的这场海战，标志着瓜岛争夺战的一个决定性转折。日军只有10吨物资和2000人的陆军部队被送上了岸，而日本海军为之付出的代价是：2艘战列舰、l艘巡洋舰、11艘运输船和10余艘驱逐舰。山本司令长官至此认识到，联合舰队再也承受不住如此沉重的代价去支援陆军的作战行动了。这场海战后，“东京快车”虽然仍在坚持运行，但每次只运进了很少的增援力量和物资，而这些少得可怜的东西显然已难以维持3.2万人的日军部队，正如日本人自己所形容的那样，瓜达尔卡纳尔岛已是“死亡之岛”，岛上日军无衣无食，尸骸狼藉，只得在翌年初溜走。