JW-55B船队出航的第二天被德军侦察机发现。12月23日，德军十几架容克-88轰炸机前来攻击，但在护航军舰的有效抗击下，被击落2架未获战果。同时，德军向熊岛海域派出了由8艘潜艇组成的艇群，准备拦截该船队，并命水面舰艇作好出海准备，随时准备出发。德军侦察机不断飞来，跟踪监视JW-55B船队，弗雷泽判断德军水面舰艇必将出动，因此命令JW-55B船队反向航行3小时，以干扰德军推算船队航速，同时亲率远距掩护编队以19节航速赶来接应。弗雷泽认为RA-55A船队尚未被德军发现，而且不久将驶离德军水面舰艇活动的危险海域，而JW-55B船队距离阿尔塔峡湾比较近，较有可能遭到德军攻击，便命令从RA-55A船队的护航军舰中抽出4艘驱逐舰加强JW-55B船队的护航力量，并命令JW-55B船队航向进一步偏北，以尽可能远离危险海域。
12月25日，德军北方海军指挥部下令出动水面舰艇对JW-55B船队实施攻击。晚上7时，埃里克·贝伊海军少将指挥“沙恩霍斯特”号战列巡洋舰和5艘驱逐舰从阿尔塔峡湾出航，此时正是北极海的极夜时期，全天只有两三个小时的日照，能见度很低，海上作战全靠雷达，尽管“沙恩霍斯特”号装有两部雷达，但无论工作距离，还是探测性能都远远比不上英舰装备的雷达。此时该舰上还有约80名见习军官和100名毫无经验的新兵，虽然出海前临时从“提尔比兹”号战列舰上抽调了部分有战斗经验的军官和老兵，但没有经过磨合，总体上人员素质很低。如果发生战斗，结局难以预料，因此贝伊少将曾请求推迟出海作战，但被海军总司令邓尼兹严词拒绝。
邓尼兹为了消灭JW-55B船队，除了出动水面舰艇外，还要求驻挪威的德国空军提供空中掩护，并在贝伊率领舰队出海后特别指示，强调要采取巧妙而果敢的战术，如果遭遇英军大型水面舰艇编队，应迅速放弃对船队的攻击，主动撤出战斗，保证“沙恩霍斯特”号的安全，因为德军此时在挪威，能够投入使用的大型军舰就只剩下“沙恩霍斯特”号了。
贝伊的舰队刚一出动，在阿尔塔峡湾的英国特工就向英国海军部发出了报告，弗雷泽很快就得到了这一情报，立即命令RA-55船队转向北航行，以借助熊岛以北海面大面积流冰的掩护；增援JW-55B船队的4艘驱逐舰则加入伯内特的巡洋舰编队，该巡洋舰编队加速航行，赶在JW-55B船队与德军舰队之间，然后由东向西，自己率领战列舰编队由西向东，形成对德舰的包围。
德军U-601号潜艇和U-716号潜艇克服能见度低的困难，发现了船队，并将船队的位置、航速、航向等通报给贝伊舰队。
德军舰队到达熊岛东南约40海里海域后(这是德军根据侦察机的报告，推算出的截击同盟国船队海域)，贝伊下令各舰拉开距离，向南搜索船队。
此时，伯内特的旗舰“贝尔法斯特”号巡洋舰雷达在3.1万米距离上捕捉到了一个微弱的信号。而英军另一艘巡洋舰“谢菲尔德”号巡洋舰的了望台也发现约1.1万米外的德舰，这时RA-55A船队已经脱离了危险，JW-55B船队则吉凶未卜，弗雷泽的编队还有150海里(约合270千米)距离。英舰首先向德舰发射照明弹，德舰意识到英舰就在附近，但德舰正是顶风航行，风雪交加扑面而来，了望根本无法发现目标，而德舰雷达性能又差，也无法迅速发现目标，就在德舰茫然不知所措的时候，英舰203毫米的主炮开火了，密集的炮火在德舰四周掀起了巨大水柱，德舰只能按照英舰炮火大致位置还击，交战中德舰雷达刚发现英舰，正要确定其方位，英军“诺福克”号巡洋舰的一发炮弹正好命中主桅，桅杆顶部被炸飞，安装在主桅上的顶部雷达被彻底炸毁。贝伊深知在暗无天日的北极海上，没有雷达是根本无法作战的，因此下令转舵撤退，但仍接连被英舰两发炮弹击中，好在其中一发是哑弹，才没有造成严重损害。“沙恩霍斯特”号凭借着航速，很快就与英舰拉开了距离。
当“沙恩霍斯特”号摆脱英舰之后，如果凭借其航速优势，迅速掉头返航，是完全有可能逃脱英军的包围，但贝伊没有这样做，因为他深知，消灭JW-55B船队，可以使苏军的作战准备推迟一个月之久，所以他决定利用中午前后短暂的日照时间，再次搜寻JW-55B船队，做最后的努力。于是贝伊指挥“沙恩霍斯特”号改向东北。
紧追“沙恩霍斯特”号的英舰没有料到德舰会突然改变航向，雷达失去了接触，但伯内特准确判断出德舰的企图，敌变我变，立即停止追击，改向西北航行，准备在JW-55B船队前方抢占有利阵位。但是德、英双方，一个向东北，一个向西北，分道而行，距离越来越大。
上午10点左右，德军侦察机发现弗雷泽编队，由于天气恶劣，能见度很低，飞行员发回的报告含糊不清——北角西北100海里发现一支东向舰队，其中可能有一艘战列舰。而接到报告的德军指挥官处事呆板，要求报告必须准确清楚，不能有可能、大概之类的语句，便将关键的“可能有一艘战列舰”这一句删去，然后才转发给贝伊。贝伊认为这肯定是英军军舰，但距离尚远，决定不予理睬。
1小时后，贝伊下令转向西行，正好与英军巡洋舰编队相对而行。
时间不长，伯内特旗舰“贝尔法斯特”号的雷达在2.8万米距离上发现目标，伯内特毫不怀疑地确定这就是“沙恩霍斯特”号！立即向弗雷泽报告，同时命令JW-55B船队转向东南，自己率领掩护编队则向东北接敌。
中午时分，“沙恩霍斯特”号的了望发现约在1万米外出现军舰桅杆，贝伊立即下令火炮测距仪开机，为主炮测定距离，同时主炮准备射击。随着枪炮军官的一声令下，“沙恩霍斯特”号280毫米主炮首先开火！伯内特随即下令巡洋舰开火，驱逐舰则全速接敌，实施鱼雷攻击。此时海面风浪很大，英军驱逐舰难以占领有利发射阵位，也就无法发射鱼雷，而英军巡洋舰则与德舰展开了激烈的炮战，战斗整整持续了20分钟，英军“诺福克”号被击中两发炮弹，上层建筑起火，伤亡13人。“沙恩霍斯特”号也被多发炮弹命中，而贝伊根据英军近失弹所激起的巨大水柱，错误判断英军为战列舰。他见己方雷达受损；驱逐舰也不在附近，孤立无援；海面风暴又大，寄予厚望的午间日照也被风暴驱走，能见度相当低；形势非常险恶，便决定迅速脱离接触，掉头返航。但德舰的撤退航线正好与弗雷泽的航线交错，这为弗雷泽提供了绝佳的机会。
午后1时，向南搜索的德军驱逐舰与JW-55B船队相距仅10海里(约合18千米)，但海面一片昏暗，德军什么也没有发现，双方擦肩而过。
贝伊通知驱逐舰返航。
伯内特率领编队紧紧尾随着“沙恩霍斯特”号，此时“谢菲尔德”号因发动机故障，没有追赶，只有2艘巡洋舰和4艘驱逐舰紧追不舍。贝伊见状，曾一度企图掉头杀个回马枪，但德舰刚一掉头，英舰也随之退后，避免与德舰交火，始终与德舰保持着不即不离的距离，同时不断向弗雷泽报告德舰的位置和航速。
弗雷泽的旗舰“约克公爵”号战列舰雷达在22海里(约合4万米)距离发现德舰，弗雷泽下令准备射击，尽管天色一片漆黑，炮手根本看不到德舰的踪影，但凭借着炮瞄雷达，“约克公爵”356毫米主炮已经牢牢盯住了德舰！
不久，“约克公爵”号与德舰的距离已经缩短到2万米，弗雷泽命令伯内特向德舰发射照明弹。很快德舰尾部出现了一颗光点，随即将德舰照得透亮，贝伊不知道英军会从哪里发起攻击，只好盲目命令主炮瞄准正前方，并让左舷高射炮击落照明弹。
只到“约克公爵”号主炮开火后，德舰才根据英舰炮口的火光发现英舰位置，贝伊意识到陷入了英军包围，不敢恋战，只得一边还击，一边以31节的高速撤退，但还是没能逃出英舰的炮火射程，“约克公爵”的一发主炮炮弹命中德舰的一座前主炮炮塔，炮塔顿时起火，尽管德舰上的损管人员奋力抢修，迅速控制了火势，但这座主炮却被摧毁，德舰火力因此锐减。德舰且战且走，“约克公爵”号也数次被德舰击中，主桅杆也被炸断，但弗雷泽没有丝毫退缩，仍旧猛烈攻击，又一发356毫米炮弹命中“沙恩霍斯特”号后甲板，剧烈的爆炸引发了大火，并很快波及到了上层建筑，熊熊大火使德舰在昏暗的海面上成为非常醒目的目标，“约克公爵”继续攻击，德舰连连中弹，前主炮的排烟装置被毁，炮塔里硝烟弥漫，炮手根本无法操炮；前甲板上的150毫米副炮也多被击毁；锅炉舱中弹，德舰航速开始下降，但损管人员和轮机人员拼死抢修，终于修复损伤，航速又逐渐恢复，渐渐与英舰拉开了距离。
德舰上甲板已经遍体鳞伤，上层建筑面目全非，舰员死伤累累，但仍能保持着26节的航速，只需再航行1小时就能回到挪威海岸。
但此时此刻，英舰岂肯让到手的“大鱼”轻易脱逃，4艘英军驱逐舰兵分两路，左右夹击而来，德舰迅速开火，右侧的“蝎子”号和“斯托尔德”号驱逐舰在2000米距离上各发射了8条鱼雷，“沙恩霍斯特”号的舰长欣兹上校立即指挥军舰满舵作大回转，以规避鱼雷，但还是有1条鱼雷命中舰桥下方，紧接着左侧的“索马斯”号和“野人”号也接近到1800米，分别发射6条鱼雷，德舰因为已经中了1条鱼雷，机动性降低，规避也没有刚才那样灵活，此次鱼雷攻击共有3条鱼雷命中，海水从破口大量涌入，航速下降至22节。
这时，“约克公爵”号也追了上来，它再次用威力强大的356毫米主炮猛轰，“贝尔法斯特”号和“诺福克”号巡洋舰也加入战斗，“沙恩霍斯特”号连连中弹，多处起火，全舰都被烈火浓烟所笼罩，舰员死伤惨重，顽固的贝伊仍组织最后战斗，下令将前主炮的炮弹全部运到尚能使用的后主炮，拼死抵抗。但他也意识到将难逃此劫，命令销毁所有机密文件，并致电海军总司令邓尼兹：“我舰正与敌主力战舰交战，决心战至最后一弹！”
至晚7时，“沙恩霍斯特”号的航速已降至10节，而且唯一的后主炮也被“约克公爵”号摧毁，只剩下几门150毫米副炮，几乎丧失了还手之力！弗雷泽见光靠炮火难以迅速结束战斗，也不愿宝贵的战列舰和巡洋舰在最后战斗中受损，下令战列舰和巡洋舰后撤，由驱逐舰实施鱼雷攻击。
渐渐德舰航速仅为5节，并开始倾斜，欣兹舰长见已无法挽回，只得下达弃舰命令。
此时英军数艘驱逐舰一边用炮火轰击，一边逼近德舰发射鱼雷，英军先后射出55条鱼雷，共有11条命中，猛烈的爆炸接二连三，最终引发了弹药舱的大爆炸，“沙恩霍斯特”号在经过震耳欲聋的阵阵轰鸣之后，终于化着一阵浓烟沉入了海底。英军驱逐舰随即开始营救落水德军官兵，德舰上共有约2000人，只有36人获救。
12月29日，JW-55B船队安全到达苏联科拉湾。1944年1月1日，RA-55A船队也安全抵达英国埃韦湾，这两支船队均无损失。
英军参战的两支水面舰艇编队在苏联进行修理和休整后，于4月4日返回英国。
此次作战，英国海军采取正确的战略战术，情报保障及时得力，各编队之间协同密切，配合默契，技术装备尤其是雷达性能优异，使指挥官准确掌握战场形势，官兵训练有素，在昏暗的低能见度条件下，所进行的机动和编队航行几乎与白昼毫无区别。反观德军，战术上贸然将驱逐舰分散，使战列舰失去了有效的保护，侦察保障不力，对战场情况了解极少，而且雷达性能不理想，最后还在战斗中被毁，种种原因，导致德海军威力最大、令盟军头痛的“沙恩霍斯特”葬身海底，德军所依赖的海上优势也随之土崩瓦解。
8.“提尔比兹”号的末日
随着“沙恩霍斯特”号被击沉，北极航线的态势发生了重大转折，由于该舰被击沉，北极航线遭受德军大型水面舰艇威胁的局面已不复存在，此后德军在该海域能够使用的兵力就只有潜艇、驱逐舰等轻型水面舰艇和为数不多的航空兵，大大减低了对同盟国海上运输的威胁。由此英军得以将“光辉”号航母、“伊丽莎白”号战列舰、“荣誉”号战列巡洋舰等大型军舰调往远东，加入对日作战。因此，“沙恩霍斯特”的沉没，不但对北极航线产生了直接影响，还对太平洋战场产生了间接影响。
鉴于威胁北极航线的德军大型水面舰艇只剩下“提尔比兹”号战列舰，为消除这一威胁，苏军于2月11日晚出动15架挂载1000千克重磅炸弹的重型轰炸机，飞往“提尔比兹”号的锚泊地挪威阿尔塔峡湾。由于苏军飞行员地形不熟，天色又黑，最终只有4架飞机发现德舰并实施了攻击，投下的炸弹只有1枚近失弹给德舰造成了轻微损伤。