西村祥治中將統領的南路艦隊由戰列艦扶桑號、山城號以及最上號重巡洋艦和四艘驅逐艦組成。10月24日他們遭到空襲，但未受傷。由於南路艦隊和中路艦隊嚴守無線電靜默，西村無法與慄田和志摩協調他們的步驟。當他於02:00進入蘇里高海峽時，志摩在他後面約40千米，而慄田還在錫布延海，離萊特島的海岸還有好幾個小時。
他們剛剛開過帕納翁島就闖進了美國第七艦隊爲他們設置的圈套。傑西·奧爾登多夫少將的六艘老式戰列艦(從西向東，分別是賓夕法尼亞號、加利福尼亞號、田納西號、密西西比號、馬里蘭號、西弗吉尼亞號)、八艘巡洋艦(從西向東，分別是:什羅普郡、博伊西、菲尼克斯(以上3艘編成右翼巡洋艦羣，面向南方);哥倫比亞、丹佛、明尼阿波利斯、波特蘭、路易斯維爾號，以上5艘編成左翼巡洋艦羣)、29艘驅逐艦和39艘**艇已經嚴陣以待。
由於美軍缺乏在夜間作戰的飛機，故只能用裝備雷達的**艇來提供信息，20:50，美國**艇發現西村艦隊，22:52-02:13期間，美軍13個**艇分隊分別向西村艦隊發動**攻擊，無一命中，美軍**艇PT-493觸礁沉沒，但爲第七艦隊提供了大量情報。
03:00 ，美軍第54驅逐艦中隊第一部分3艘驅逐艦在7000-8000米距離上向西村艦隊發起**攻擊，共射出27枚**，1枚**擊中扶桑號中部，扶桑號即刻落伍，隨之右迴轉後撤，8分鐘後全艦失去動力。
03:09，第54驅逐艦中隊第二部分也發射了**，前導驅逐艦山雲號首先中雷，隨即發生大爆炸沉沒，朝雲號前主炮下方中彈，艦艏折斷，航速下降至12節，命中戰列艦山城和驅逐艦滿潮相繼中雷受傷，山城號前後命中2枚**，中後部主炮無法工作，但仍堅持前進。
03:45，落後的扶桑號中部燃料艙和3，4號主炮塔彈藥艙發生大爆炸，艦體斷裂，艦艏部分於04:20沉沒，艦尾部分在1個多小時後也沉沒。戰後誰也不知道扶桑號上發生了什麼，因爲全艦無一倖免，陣亡人數在1400-1600之間。
03:50 ，美軍戰列艦、巡洋艦編隊採用海軍炮戰經典戰法，排成兩列T字橫隊(戰列艦在後，距離20000米，巡洋艦在前，距離14000米)，用全正面交叉火力在雷達引導下共發射大口徑主炮炮彈245發，巡洋艦發射炮彈4000多發，第56驅逐艦中隊也對其進行**攻擊，共命中**2枚，頃刻間，山城號劇烈燃燒併發生爆炸，艦橋崩塌，並於04:19沉沒，西村中將以下除10人被美軍救起外，其他均隨艦葬身魚腹(作爲對比，整個海戰西村艦隊損失的戰艦上，倖免的合計僅有26人)。最上號也中彈多處，其中防空指揮所被直接命中，艦長，副長，航海長等幾乎所有的高級軍官全部被炸死，只好由炮術長荒井大尉代理指揮。時雨號驅逐艦也有5處受創。
04:25 志摩的那智號和足柄號重巡洋艦以及八艘驅逐艦到達戰場。志摩以爲他看到的那兩段殘片是西村的兩艘戰列艦的剩餘(實際上它們是扶桑號的兩段)，還看到了空中曳光彈的痕跡，他認識到通過海峽是毫無希望的因此下令轉身撤退。在混亂中他的旗艦那智號與焚燒的最上號相撞，喪失機動能力而落後的最上號第二天被飛機擊沉。志摩艦隊在撤退過程中，受到美軍艦載機的追擊，輕巡阿武隈號和驅逐艦不知火號相繼沉沒。
蘇里高海戰是人類歷史上最後一次發生在戰列艦之間的海戰，是海戰史上組織最成功的戰例之一。美軍以1艘**艇爲代價，獲得了擊沉2艘戰列艦，1艘重巡洋艦，3艘驅逐艦，傷1艘重巡洋艦1艘驅逐艦的驕人戰績(輕巡阿武隈號和驅逐艦不知火號不作爲戰果統計)。
小澤治三郎中將的艦隊由四艘航空母艦:瑞鶴號、瑞鳳號、千歲號、千代田號、由第一次世界大戰時建造的戰列艦改裝成的兩艘航空戰艦:伊勢號、日向號、三艘巡洋艦:大澱、多摩、五十鈴和八艘驅逐艦組成。瑞鶴號是最後一艘參加過珍珠港事件倖存至此的航空母艦。日向號和伊勢號的後部炮塔被改成機庫、跑道和起飛機構。但這兩條船都沒有帶飛機。
小澤一共只有108架飛機。一直到10月24日下午16:40小澤的艦隊才被發現。此時美軍正在對付慄田的艦隊和呂宋島來的空襲。10月24日晚小澤獲得了一份美國電報說慄田撤退了(這個消息是錯誤的)，但20:00豐田下令所有艦隊繼續進攻。哈爾西看到他有機會消滅所有日本在太平洋上的航空母艦，這樣美國可以無憂慮地進攻日本本土。他相信慄田已經在錫布延海戰中被擊退，因此他於子夜後帶領所有的三隊航空母艦和威利斯·李上將的戰列艦(根據哈爾西的命令，爲守衛聖貝納迪諾海峽臨時編成第34特混艦隊。
命令是個預案，在後來造成理解的混亂。)開始追擊小澤。雖然美國偵察機發現了慄田開向聖貝納迪諾海峽，但哈爾西認爲金凱德的第七艦隊足以對付它，未加理會。美國艦隊的數量比日本艦隊多得多。哈爾西擁有9艘正規航空母艦(無畏號、大黃蜂號、富蘭克林號、列剋星敦號、邦克山號、黃蜂號、漢考克號、企業號、埃塞克斯號)、八艘輕航空母艦(獨立號、普林斯頓號、貝勒伍德號、科本斯號、蒙特利號、蘭格利號、卡伯特號、聖哈辛托號)、六艘戰列艦(亞拉巴馬號、依阿華號、馬薩諸塞號、新澤西號、南達科他號、華盛頓號)、17艘巡洋艦、64艘驅逐艦和1000多架飛機，但他將登陸點讓給了幾艘護衛航空母艦和驅逐艦。
哈爾西被小澤的誘餌給引誘出來了。10月25日早，小澤下令75架飛機起飛攻擊美軍，但這些飛機沒有造成多少損失，大多數飛機被美國戰鬥機擊落，少數飛往呂宋島。