เวลา ๐๖:๒๐ น. นาวาโท หลวงพร้อมวีระพันธุ์ ผู้บังคับการเรือหลวงธนบุรีสั่งถอนสมอและเคลื่อนลำประจำสถานีรบ และสั่งให้เรือหลวงหนองสาหร่ายและเรือหลวงเทียวอุทก ซึ่งเป็นเรือเล็กให้ถอนตัวออกไปจากสมรภูมิ

      เวลา ๐๖:๓๘ น. เรือหลวงธนบุรีประจันหน้าเข้ากับกองเรือฝรั่งเศสและทำการยิงตอบโต้กับเรือลามอตต์ ปิเก้ ที่ระยะ ๑๐,๐๐๐ เมตร การรบเป็นไปอย่างหนักขึ้นเรื่อย ๆ เมื่อหมู่เรือสลุปของฝรั่งเศสเข้าทำการร่วมรบรุมยิงเรือหลวงธนบุรีด้วย กระสุนนัดหนึ่งจากเรือลามอตต์ ปิเก้ ได้ตกใต้สะพานเดินเรือและเกิดระเบิดขึ้น ทำให้ผู้บังคับการเรือหลวงธนบุรีรวมทั้งนายทหารเสียชีวิต และบาดเจ็บสาหัสหลายนาย ส่งผลให้การบังคับบัญชา การสื่อสาร และการควบคุมหยุดชะงัก ระบบถือท้ายเสียหายบังคับทิศทางไม่ได้

      เวลา ๐๗:๑๕ น. เรือหลวงธนบุรีไฟไหม้ แต่ทหารบนเรือที่เหลือเพียงลำเดียวยังคงทำการยิงต่อสู้ โดยสลับเปลี่ยนเป้าหมายไปที่เรือฝรั่งเศสทั้ง ๓ ลำ เมื่อระบบถือท้ายเสียหาย ป้อมปืนไม่ทำงาน (ทหารฝ่ายไทยต้องใช้วิธีการหมุนป้อมปืนด้วยมือเอง) ทำให้การยิงโต้ตอบของเรือหลวงธนบุรีเป็นไปอย่างยากลำบาก แต่ถึงกระนั้นก็ยังสร้างความเสียหายให้แก่เรือลามอตต์ ปิเก้ได้

      เวลา ๐๗:๔๐ น. เครื่องบิน ๑ ลำบินเข้ามาทิ้งระเบิดทะลุดาดฟ้าเรือหลวงธนบุรี มีลูกเรือเสียชีวิต ๓ นาย และบาดเจ็บจำนวนหนึ่ง ในขณะที่เรือทั้งหมดยังทำการรบอย่างติดพัน ป้อมปืนที่เหลือของเรือหลวงธนบุรีไม่สามารถยิงได้อย่างแม่นยำเนื่องจากไม่อาจบังคับเรือได้ตรงทิศทาง เรือหลวงธนบุรีได้แล่นลำเข้าสู่บริเวณน้ำตื้น กองเรือรบฝรั่งเศสจึงได้ส่งสัญญาณถอนตัวจากการรบ

      เวลา ๐๗:๕๐ น. หลังจากถอนตัวจากการรบ เรือลามอตต์ ปิเก้ ได้ยิงตอร์ปิโดอีกชุดเข้าหาเรือหลวงธนบุรีที่ระยะ ๑๕,๐๐๐ เมตร แต่พลาดเป้าในขณะที่เรือหลวงธนบุรียังทำการยิงต่อสู้อย่างต่อเนื่อง และในที่สุดเรือทั้งหมดได้เคลื่อนออกนอกพิสัยทำการรบ

      เวลา ๐๘:๒๐ น. เรือหลวงธนบุรีหยุดยิง

      เวลา ๐๘:๔๐ น. นาวาเอกเรจี เบรังเยร์ ออกคำสั่งให้กองเรือฝรั่งเศสมุ่งหน้ากลับฐานทัพ เนื่องจากเกรงกำลังหนุนของไทย โดยเฉพาะเรือดำน้ำ เนื่องจากฝ่ายไทยรู้ตัวแล้ว ในเวลาเดียวกัน หมู่บินที่ ๒ แบบ Hawk ๓ จากกองบินจันทบุรีได้มาถึงและทำการทิ้งระเบิดโจมตีเรือฝรั่งเศส แต่ถูกสกัดด้วยปืนต่อสู้อากาศยานอย่างหนัก ระเบิดลูกหนึ่งตกลงบนเรือลามอตต์ ปิเก้ แต่ไม่ระเบิด ในเวลา ๐๙:๔๐ น. ฝูงบินทิ้งระเบิดบ่ายหน้ากลับ ทำให้กองเรือฝรั่งเศสหลุดรอดออกไปได้ และมุ่งหน้ากลับไปไซ่ง่อน

      เวลา ๑๑.๓๐ น. เรือหลวงธนบุรี ถูกจูงมาถึงเขตน้ำตื้นและไม่สามารถลากจูงต่อไปได้ ต้นเรือเรือหลวงธนบุรีจึงสั่งให้ลำเลียงทหารบาดเจ็บลงเรือหลวงช้าง แล้วให้สละเรือใหญ่ ชาวบ้านในบริเวณใกล้เคียง และทหารเรือส่วนหนึ่งยังคงพยายามดับไฟในเรือหลวงธนบุรีต่อไปแต่ไม่สำเร็จ ในที่สุดเรือหลวงธนบุรีก็จมลงเมื่อเวลา ๑๖.๔๐ น.