在遠東第一梯隊採取縱隊進攻之後，就遭到5艘意大利軍艦的集中轟擊，遭到了相對的重創，但是他們收到的都是死命令，就是不惜一切代價殲滅意大利主力戰艦和打亂敵人整形。
所以贛州艦在中彈之後不久，其艦尾吃水線附近被撕開一道裂口，海水不斷涌入，艦尾開始緩緩下沉，下午5時35分左右，艦長黃繼光在發現艦艇必將會沉沒之後，便立即下令全速撞擊敵艦“維利基索”，最後兩艦同時沉沒，贛州全艦500名官兵最後倖存300餘人。
此後，意大利聯合艦隊的戰列艦“亞歷山大”“博羅季諾”、“西后依鷹”也被第一梯隊重創，在第一梯隊深入與意大利戰艦進行交戰的同時，遠東第二梯隊的三艘戰列艦，也在用自己的優勢火力對意大利主力巡洋艦羣，進行覆蓋打擊，在激烈的交鋒之後。
先後擊沉意大利3艘衛護巡洋艦和2艘重巡洋艦，但是由於意大利的火炮系統比較老舊，不論是發射速度和口徑大小和遠東相差很大，所以雙方的第一天交火約從下午3時15分開始，主要是在遠東第一梯隊巡洋艦分隊和魚雷分隊中展開。
而遠東第二梯隊則是和意大利的巡洋艦分隊之間展開，隨後在五個小時的戰鬥中，遠東3艘魚雷艇中彈沉沒，贛州號輕巡洋艦沉沒，杭州號遭到重創只能保持15節航速，數艘輔助船中彈發生火災。
不過遠東的主力鐵甲戰列艦完好無損，而意大利卻被擊沉3艘戰列艦和6艘主力巡洋艦，至下午6時左右，意大利聯合艦隊第一天的敗局已定，但是意大利聯合艦隊似乎不準備就這樣死心，依然繼續跟遠東艦隊死纏，隨後由於雙方艦隊在煙霧中經常失去接觸，導致航線十分混亂，雙方開始了一場夜幕中的混戰。
6時45分，意大利第五、六巡洋艦戰隊投入戰鬥，但是不久之後，意大利重巡洋艦“斯維特娜”號被遠東泰山級戰列艦一炮給擊沉，而另一艘舊式重巡洋艦“科伊頓斯”在反擊中被遠東3艘巡洋艦圍攻，直接被擊傷後下沉。
隨後雙方的主力艦在7時15分、8時30分曾兩次相遇，但都是意大利聯合戰艦都到了重創，結果又導致3艘巡洋艦相繼被遠東305毫米大口徑火炮擊沉，晚8時，由於天色實在已經太黑了，根本看不見對方，所以第一天的海戰就這樣結束了。
當夜意大利聯合艦隊所有受重傷的艦艇撤出戰鬥，但是就在這個時候遠東的魚雷艦編隊已經來了，遠東準備用魚雷艇和護衛艦發起夜間的攻擊，接着意大利聯合艦隊被打得大亂，早就被打的千瘡百孔的“亞歷山大””“博羅季諾”、“西后依鷹”號三艘戰列艦沉沒，10分鐘後，“季羅博諾”號巡洋艦彈藥庫被擊中，彈藥庫被摧毀，並引起了鍋爐爆炸，當即下沉。
晚9時30分至次日凌晨5時，遠東一共出動魚雷艇編隊向殘餘的意大利聯合艦隊發起魚雷攻擊，意大利第三分隊因接受過反魚雷進攻訓練，因而大都倖存下來，而第二分隊的艦隻大部被擊沉，“瓦西索伊”、“納西莫夫”、“維利基納林”先後被魚雷擊沉。
舊式裝甲巡洋艦“馬赫莫諾”在艦艏被大口徑魚雷炸掉的情況下，仍頑強的反擊，不過最後因傷勢嚴重，於凌晨5時自行鑿沉。
2月4日清晨5時剛剛過，遠東艦隊快速朝着意大利聯合艦隊駛去，但在上午7時，再次被意大利剩餘的23艘艦隊船隻包圍，並遭到了意大利艦隊的猛烈炮擊，不過就在這個時候，西班牙地中海艦隊突然趕到，隨後立即在後方攻擊意大利聯合艦隊，雖然西班牙地中海艦隊的攻擊實力比較弱，但是還是給意大利聯合艦隊帶去了又一次混亂。
而遠東艦隊立即利用其自身的速度和火力優勢，進行了一次次的集火射擊和迂迴攻擊，意大利聯合艦隊司令本季厄隨後又再次下達了一個錯誤的命令，那就是將現有攻擊隊形分爲兩部分，一部打擊西班牙地中海艦隊，一部包圍攻擊遠東艦隊。
而整個地中海之戰最後的戰局，也就是在意大利聯合艦隊司令本季厄，下達了一次次錯誤指令之後，而徹底失敗。
就在意大利聯合艦隊再一次變換陣型的時候，遠東艦隊所有艦隻都已經進入了有效射程內，接着在遠東艦隊長邱軍的一聲令下，遠東各艦所有火炮瞄準意大利聯合艦隊的旗艦集火，在5分鐘的炮火覆蓋下，意大利聯合海軍艦隊司令官本季厄，隨着他乘坐的旗艦一起石沉大海。
而接下來意大利海軍艦隊副司令加托夫海軍少將決定帶領6艘巡洋艦投降，不過遠東艦隊在看到意大利方投降信號後，依然進行炮擊，直到意大利軍艦掛出遠東海軍旗幟爲止，但其餘的意大利艦艇或進行了抵抗被擊沉，或逃走，最終逃回意大利的只有兩艘巡洋艦和另2艘驅逐艦。
地中海之戰與第二天的中午結束，而歷時2天的海戰，意大利海軍全軍覆沒，遠東艦隊損失了艦艇8艘，輕巡洋艦贛州號沉沒，杭州、蘇州重創，黃河級戰列艦擱淺，泰山級兩艦也遭到了不同程度的損傷，魚雷艇和護衛艦編隊幾乎全部沉沒。
不過這場實力懸殊的戰鬥，再次將遠東推到了一個前所未有的高度，同時也將各國的目光投入到全大口徑火炮戰艦的建設上，因爲在這次的海戰中，泰山級全大口徑火炮發揮的作用相當之大，因爲它可以在8000-10000米外，直接攻擊敵人，雖然準度不高，但是所起到了效果是具有決定性的。
不過這場戰鬥也引出了無數的爭議，那就是意大利海軍投降之後，遠東還在繼續攻擊，這一點是違法了人道主義精神，不過遠東則是說沒有看見意大利海軍掛出了投降旗號，而他還有一個證人，那就是西班牙地中海艦隊，最後便是兩張嘴去大戰一羣嘴。