Pertempuran ini menjadi operasi lanjutan Jepang setelah mereka berhasil menghancurkan posisi militer Inggris di Singapura dan menginvasi Filipina yang masih merupakan daerah kekuasaan Amerika Serikat.
Mendarat di Tarakan pada Januari 1942, pemimpin perang Jepang memutuskan untuk menguasai Pulau Jawa secepatnya sehingga Hinda Belanda jatuh ke tangan Jepang. Tetapi, sebelum bisa mencapai Pulau Jawa, pasukan Jepang harus terlebih dahulu merebut Laut Jawa.
Pertempuran dimulai dengan serangkaian percobaan lebih dari 7 jam oleh Angkatan Serangan Gabungan Doorman untuk menyerang konvoi Jepang
Kedua belah pihak mulai bertempur sejak pukul 16.00 WIB, dan tembakan pertama dimulai 16 menit berikutnya. Baik Jepang dan Sekutu saling menyerang dengan keunggulan meriam dan torpedo selama fase awal pertempuran.
HMS Exeter dibuat rusak parah akibat tembakan di ruang ketel oleh granat 8 inci. Kapal itu berjalan terseok-seok ke Surabaya, dikawal kapal HNLMS Witte de With.
Jepang kembali menembakkan 2 salvo torpedo besar berjumlah 92, namun hanya mencetak 1 hantaman ke HNLMS Kortenaer yang dihantam oleh Laras Panjang. Hasilnya, kapal itu pecah menjadi 2 bagian dan tenggelam dengan cepat.
HMS Electra, yang melindungi HMS Exeter, terlibat duel dengan Jintsu dan Asagumo. Meski berhasil merusak kapal perang Jepang, namun mereka juga menderita kerusakan parah pada bangunan bagian atasnya.
Setelah tembakan serius yang dimulai di Electra dan menara kecilnya yang kehabisan amunisi, perintah meninggalkan kapal diserukan. Di pihak Jepang, hanya Asagumo yang terpaksa mundur karena rusak.
Armada Sekutu terpecah dan mundur sekitar pukul 18.00 WIB. Gerakan mundur ini dilakukan setelah 4 kapal pemburu US Destroyer Division menembakkan tabir asap untuk menutupi pergerakan mereka. Sembari bergerak, mereka juga melancarkan serangan torpedo.