"Lực lượng phía Nam" của Đô đốc Nishimura bao gồm các thiết giáp hạm Yamashiro và Fusō, tàu tuần dương hạng nặng Mogami và bốn tàu khu trục. Chúng bị các máy bay ném bom tấn công trong ngày 24 tháng 10 nhưng chỉ bị thiệt hại nhẹ.

Do lệnh cấm sử dụng liên lạc vô tuyến một cách tuyệt đối trên các lực lượng trung tâm và phía Nam, Nishimura đã không thể phối hợp sự di chuyển cùng với Shima và Kurita. Khi ông đi vào eo biển hẹp Surigao lúc 02 giờ 00 ngày 25 tháng 10, ông không hề hay biết Shima chỉ cách 45 km (25 hải lý) đàng sau, và Kurita vẫn còn đang trong biển Sibuyan, phải mất nhiều giờ chạy tàu mới đến được các bãi đổ bộ ở Leyte.

Khi "Lực lượng phía Nam" tiến vào eo biển Surigao, nó không biết được là đang sa vào một cái bẫy chết người do lực lượng của Đệ Thất hạm đội bày ra. Chuẩn Đô đốc Jesse Oldendorf có được một lực lượng đáng kể gồm sáu thiết giáp hạm: West Virginia, Maryland, Mississippi, Tennessee, California và Pennsylvania, tất cả ngoại trừ chiếc Mississippi đều đã từng bị đánh đắm hay hư hại trong trận tấn công Trân Châu Cảng và đã được sửa chữa thành công. Còn phải kể đến các khẩu pháo 203 mm (8 inch) và 152 mm (6 inch) trên bốn chiếc tàu tuần dương hạng nặng USS Louisville (soái hạm), Portland, Minneapolis, HMAS Shropshire và bốn tàu tuần dương hạng nhẹ Denver, Columbia, Phoenix và Boise. Ngoài ra còn có các cỡ súng nhỏ và ngư lôi từ 28 tàu khu trục và 39 tàu phóng lôi PT (Patrol/Torpedo) boat. Để băng qua eo biển hẹp và đến được mục tiêu là các tàu bè ở bãi đổ bộ, Nishimura phải đi qua một hàng ngư lôi từ những tàu phóng lôi PT, tiếp nối bằng một lực lượng lớn các tàu khu trục, và cuối cùng tiến qua hỏa lực tập trung của sáu thiết giáp hạm chắn ngang cùng tám tàu tuần dương hai bên sườn được bày ra ở cửa biển eo Surigao.[3]

Lúc 22 giờ 36 phút ngày 24 tháng 10 một trong những chiếc tàu phóng lôi, PT-131, phát hiện những con tàu chiến Nhật Bản đang đến gần. Trong hơn ba giờ rưỡi, những chiếc tàu phóng lôi liên tiếp tấn công vào lực lượng của Nishimura, và cho dù không đánh trúng quả nào, họ cũng đã gửi những báo cáo hữu ích cho Oldendorf và lực lượng của ông.[3]

Khi các tàu chiến của Nishimura tiến vào eo biển Surigao, chúng bị phơi bày ra trước các đợt tấn công bằng ngư lôi dữ dội của các tàu khu trục Mỹ bố trí hai bên sườn của con đường tấn công. Vào khoảng 03 giờ 00 phút cả hai chiếc thiết giáp hạm Nhật đều bị trúng ngư lôi. Yamashiro vẫn có thể tiếp tục di chuyển, nhưng Fusō bị nổ tung và bị cắt rời làm hai phần cho dù vẫn còn nổi được. Hai trong số bốn tàu khu trục của Nishimura bị đánh chìm trong khi một chiếc khác, Asagumo, bị đánh trúng nhưng còn có thể rút lui, và sau đó bị chìm.[3]

Lúc 03 giờ 16 phút, radar của chiếc West Virginia tìm thấy những chiếc tàu còn sống sót trong lực lượng của Nishimura ở khoảng cách 38 km (42.000 yard) và định vị mục tiêu trong tầm ngắm bắn ở khoảng cách 27,4 km (30.000 yard). West Virginia tiếp tục theo dõi khi chúng tiến đến gần trong đêm tối đen như mực. Lúc 03 giờ 53 phút nó khai hỏa tám khẩu pháo chính 405 mm (16 inch) ở khoảng cách 21 km (22.800 yard), bắn trúng chiếc Yamashiro với loạt đạn đầu tiên, và nó tiếp tục nả thêm 93 quả đạn pháo. Đến 03 giờ 55 phút California và Tennessee tham gia, nả 69 và 63 phát đạn 355 mm (14 inch) tương ứng. Hệ thống Radar điều khiển hỏa lực cho phép các thiết giáp hạm Mỹ bắn trúng mục tiêu từ khoảng cách xa đến mức các thiết giáp hạm Nhật, với hệ thống điều khiển hỏa lực lạc hậu, không thể bắn trả lại.[3][7]

Ba chiếc thiết giáp hạm còn lại của Mỹ, do được trang bị loại radar điều khiển hỏa lực ít tiên tiến hơn, đã gặp khó khăn trong việc tìm ra vị trí khai hỏa. Maryland cuối cùng thành công qua việc nhận ra mục tiêu bằng mắt thường nhờ ánh chớp của các quả đạn pháo từ các tàu khác, đã có thể nả 48 phát đạn 405 mm (16 inch). Pennsylvania không thể tìm ra mục tiêu nên các khẩu pháo của nó im tiếng trong cả trận đánh.[3] Mississippi chỉ tìm ra giải pháp vào những phút cuối cùng của trận đánh, và chỉ bắn được một loạt đạn pháo 12 quả 355 mm (14 inch). Đây là loạt đạn pháo cuối cùng mà một thiết giáp hạm bắn vào một chiến hạm khác, kết thúc một thời kỳ trong lịch sử hải chiến.[3]

Yamashiro và Mogami bị phá hỏng bởi các quả đạn pháo xuyên thép 405 mm (16 inch) và 355 mm (14 inch), cũng như hỏa lực của các tàu tuần dương của Oldendorf hai bên sườn. Tàu khu trục Shigure quay mũi và chạy trốn nhưng không lâu sau bị mất lái và chết đứng tại chỗ. Yamashiro bị đánh chìm lúc 04 giờ 20 phút, Đô đốc Nishimura tử trận cùng con tàu. Mogami và Shigure rút lui về hướng Nam trở qua eo biển.

Tốp phía sau của "Lực lượng phía Nam", "Lực lượng Tấn công thứ hai", do Phó Đô đốc Shima chỉ huy đã đi đến eo biển Surigao khoảng 64 km (40 dặm) phía sau Nishimura. Chúng cũng chịu đựng các đợt tấn công của các tàu phóng lôi PT, và tàu tuần dương hạng nhẹ Abukuma trúng phải một quả ngư lôi khiến cho nó phải rớt khỏi đội hình. Hai chiếc tàu tuần dương hạng nặng của Shima Nachi và Ashigara) cùng tám tàu khu trục sau đó tìm thấy những gì còn lại của lực lượng Nishimura. Nhìn thấy những thứ mà ông nghĩ là phần còn lại của cả hai chiếc thiết giáp hạm của Nishimura (đúng ra là hai nửa của chiếc Fusō), Shima ra lệnh rút lui. Soái hạm của ông là chiếc Nachi đụng phải Mogami, làm ngập nước phòng bánh lái của Mogami khiến chiếc tàu tuần dương bị tụt lại phía sau trong cuộc tháo chạy; nó bị máy bay Mỹ đánh chìm sáng ngày hôm sau. Nữa phần phía mũi của chiếc Fusō bị hỏa lực của tàu tuần dương Louisville đánh chìm, trong khi nữa phần phía lái còn lại bị đắm ngoài khơi đảo Kanihaan. Trong số bảy chiếc tàu của Nishimura, chỉ còn lại chiếc Shigure sống sót; trong khi những chiếc của Shima trải qua trận Surigao sống sót, chúng cũng bị đánh chìm trong các trận đụng độ tiếp theo sau chung quanh Leyte.[3][7]

Trận chiến eo biển Surigao là trận giáp chiến giữa các thiết giáp hạm lần cuối cùng trong lịch sử. Đây cũng là trận hải chiến cuối cùng mà một bên (trong trường hợp này là Mỹ) đã có thể "cắt ngang chữ T" đối phương của mình. Tuy nhiên, vào lúc mà các thiết giáp hạm bắt đầu giáp chiến với nhau, hàng tàu chiến Nhật đã bị đánh tả tơi và chỉ gồm một thiết giáp hạm (Yamashiro), một tàu tuần dương và một tàu khu trục, cho nên việc "cắt ngang chữ T" chỉ là khái niệm và ít có ảnh hưởng đến kết quả chung cuộc của trận đánh.[3][7]