然而菲利普的判断是错误的，实际上就在 Z 舰队出航后不久，它就被一艘日本潜艇发现，并且一直追踪这支舰队直到第二天下午。随后，由小泽舰队所属的巡洋舰上起飞的侦察机在 9 日傍晚三次发现 Z 舰队并进行了报告。小泽中将决定前往迎击，但是日本第二舰队指挥官近藤信竹中将反对小泽以巡洋舰迎战对方的战列舰， 命令其向他所率领的舰队靠拢，准备在第二天天明之后以该舰队的两艘金刚级战列舰为主迎战。而日本海军第一航空队并不甘心被水面舰艇部队忽视，于是决定在恶劣天气下依旧进行出击。这天晚间出击的航空兵部队并未找到 Z 舰队，倒是把小泽的旗舰“鸟海”号误认为是对手险些进行攻击。与此同时，由于已经发现了在空中的日军侦察机，失去了奇袭条件的 Z 舰队决定返回新加坡。但是当该舰队掉头回返后不久，菲利普上将于 12 月 10 日 0030 时接到了日军在哥打巴鲁以南约 270 公里处的关丹地区登陆的电报，在经过一番考虑后，菲利普于0140 时下令舰队转向关丹方向，结果这份实际上是错误消息的电报使 Z 舰队失去了在天明后日军空袭到来前脱离其攻击范围的机会。
12 月 10 日晨，日本海军第一航空队根据之前跟踪 Z 舰队的潜艇报告的位置派出侦察机，此时 Z 舰队在之前的一次突然调转航向甩脱了日军潜艇的跟踪，但是却处于日军飞机的攻击范围之内。而心急的日军指挥官在侦察机出发仅 19 分钟后就下达了所有飞机出击的命令，跟着侦察机的方向飞行。85 架 G3M 九六式陆上攻击机冒着可能会白白浪费燃料的风险起飞了。
1941 年 12 月 10 日，日本海军第一航空队所属的 G3M1 九六式岸基轰炸机（日本称为陆上攻击机，简称陆攻）
临近中午之际，先出发的一架负责侦察的九六式陆上攻击机发现了 Z 舰队，此时该舰队正在距离马来半岛关丹地区约 54 公里处海上航行。得到报告的攻击机群立即转向报告位置飞去。由于方位错误，一部分飞机未能找到目标，而另一批则把英国掉队的“忒涅多斯”号驱逐舰当成了主力部队。还有一支部队由于第一航空队指挥官松永少将的疏忽忘记通知对方方位，结果飞错了方向。在一片混乱之后，当地时间 1230 时，首批 8 架日军 G3M 轰炸机终于找到了 Z 舰队，并开始进行轰炸。英国战舰在发现日军机群后立即进行了还击，进行俯冲攻击的飞机投下的 8 枚 250kg炸弹中有一枚命中“反击”号，将其舰载机弹射甲板击穿，该舰舰体下部起火，不过很快被扑灭。随后，在 1302 时，携带着鱼雷的 G3M 九六陆攻飞临战场，这批飞机一共有 17 架，分成两队从左右两个方向对“威尔士亲王”号发动攻击，英国所有军舰上的防空火力一齐进行射击。“威尔士亲王”号在向其发动攻击的首批 3 架飞机中的第一架投下鱼雷后转向规避，躲开了这枚鱼雷，并使第二架飞机失去攻击位置，这架飞机转向“反击”号发射了鱼雷。而第三架飞机则被防空火力击中坠落。但是随之而来的第二队的三架飞机投下的鱼雷中有两枚击中了战列舰，其中第一枚鱼雷将其左侧内推进轴击中并炸毁了大部分的舵叶，“威尔士亲王”号操纵失灵。随后继续对该舰发动攻击的鱼雷机发射的两枚鱼雷击中左舷，造成大面积进水。“反击”号在躲过多枚鱼雷，左舷被三枚鱼雷击中它在紧急注水后很快恢复了平衡，但很快又遭到此前对其发动攻击的第一批轰炸机的炸弹轰炸，由于该舰的规避行动，这些炸弹没有击中目标。英国军舰上的防空火力将多架飞机击伤。
从日本飞机上拍摄到的遭到空袭中的”威尔士亲王“（上）和”反击“号
1320 时，8 架携带鱼雷的九六陆攻再次对“反击”号发动攻击，这轮攻击有三枚鱼雷击中目标。当这支部队完成攻击脱离时，他们看到了此前由于航向错误未找到目标的一支由 26 架飞机组成的大编队正在接近目标。此时“反击”号的航速下降到 20 节，舰桥后部冒着黑色的浓烟，而“威尔士亲王”号在表面上看起来似乎没有大问题，航行比较平稳， 但是实际上该舰此时由于注水和动力丧失，航速已经下降到只有 8 节了，而且由于空中云层影响，舰队的防空射击也受到影响。
1350 时，日军飞机首先对“反击”号发动攻击，6 架飞机从两个方向向“反击”号发射了6 枚鱼雷，均击中目标，随后而来的11 架飞机再次进行攻击，又命中 7 枚，此时“反击”号已经被 14 枚鱼雷和 1 枚炸弹击中，操舵失灵，并且向左舷严重倾斜。在判定该舰已经无法挽救后，舰长坦南特上校下令弃舰。大约在 1435 时左右，“反击”沉没。直到最后一刻，该舰的防空炮火都未停止射击。
在马来海战中的皇家海军舰队，前方为一艘驱逐舰，中间的为”反击“号，最后面向反方向行驶的是”威尔士亲王“号。
“威尔士亲王”号在“反击”号沉没时也已经无法动弹，全舰被大火包围。1415 时，舰长约翰 . 利奇上校和菲利普上将下令弃舰。1430 时， 盘旋在该舰上空的日军飞机报告“威尔士亲王” 号舰艉发生爆炸，并且正在下沉。此时该舰被击中 7 枚鱼雷，2 枚炸弹。1450 时，这艘被日本人夸大称为“不沉战舰”的战列舰消失在水面上，两艘大型战舰上一共有舰员 2921 人，“反击”号的 1309 人中有 796 人被救起，包括舰长坦南特上校，而“威尔士亲王”号的 1612 人中有1285 人获救，舰队司令菲利普上将和舰长利奇上校随舰沉没。日军损失了参加作战的 75 架飞机中的 3 架，另外还有 1 架飞机重伤迫降，2 架被重创，27 架被击伤，21 名乘员阵亡。八天之后， 参加这次战斗的日本帝国海军飞行员壹岐春记海军大尉驾机从两艘大型战舰沉没的海域上空飞 过，向海面投下了几束鲜花表达他个人的悼念之情。
“威尔士亲王”号沉没前舰员离开战舰。
马来海战就这样落下了帷幕，如果说此前发生的塔兰托港攻击和珍珠港事件中航空兵攻击的是在港内停靠并且没能及时进行还击的战舰还不能令大舰巨炮主义者相信航空兵已经可以主宰海战，马来海战则清楚地表明，失去空中保护的战列舰是根本无法抵挡住飞机的攻击的，战列舰作为海上力量的第一号主力的地位已经动摇。然而这次海战以及两天之前的珍珠港事件却没有使造成这一事实的日本帝国海军认识到这一点，倒是美国人不得不将航空母舰作为其舰队的核心来进行接下来的艰苦异常的战斗，并最终改变了海战的模式。
在这场海战之后，辽阔的太平洋上除了日本帝国海军的 11 艘战列舰之外，就只剩下美国珍珠港内尚冒着烟或坐沉在泥里的战列舰了。珍 珠港内太平洋舰队主力舰的丧失、菲律宾岛航空力量被歼灭以及马来海战导致英国威慑力量的消亡，再加上接下来的一连串的失败，日本人认定美国人的士气将会大受打击并且会失去战斗的勇气。然而事实真的如此吗？
一艘驱逐舰打捞水中的“威尔士亲王”号的舰员
