當三川的部隊攻擊南方艦隊時,三艘北方艦船上艦長正在睡覺,以10海浬慢速航行,雖然三艘艦船的船員觀察到了薩沃島南方的戰況,亦收到了帕特森號的警告,但是要從二級值班轉為全體戰備需要時間。01:44時日艦開始向北部艦隊發射魚雷。01:50又開始用探照燈瞄準開炮。
阿斯托里亞號的艦橋人員在01:49時看到了南方的炮火後命令「全體戰備」。01:52時,在日軍探照燈和炮彈落過來後不久,她的炮班人員發現了日艦並開火。而艦長在熟睡中被叫醒時,卻衝上去艦橋要求停火,以為那是友艦。但炮彈持續在阿斯托里亞號附近落下,不到一分鐘內艦長就命令繼續開火。但鳥海號很快就校準了距離,阿斯托里亞號中彈起火。從02:00到02:15,青葉,衣笠和加古也加入了炮擊的行列,阿斯托里亞的鍋爐房被毀,起火停船。02:16時阿斯托里亞一座還能操作的主炮向打來探照燈的衣笠還擊,但沒有命中而是擊中了鳥海號的前炮塔,癱瘓了鳥海的這座炮塔,並造成中破。
昆西也看到了南面的飛機照明彈,收到了帕特森的警告,並發布了全體戰備令,並注意到了日本艦隊的探照燈。艦長下令開火,但是炮組人員還在準備。幾分鐘內,青葉號、古鷹號和天龍號的交叉火力籠罩了昆西號,中彈起火。昆西的艦長下令向東面的日艦猛衝,但在轉向時又挨了兩條天龍的魚雷,受了重創。昆西的主炮打出了幾次齊射,一發命中了鳥海號的海圖室但沒有爆炸,離三川只有一牆之隔幾米遠,36人死傷。02:10時,包括艦長在內的昆西號艦橋人員已經非死即傷,02:16時昆西被青葉的魚雷擊中,終於停止發炮。昆西的副炮術長讓人去艦橋問命令回來報告說:
「當我來到艦橋上時,我發現是一片屍體堆,只有三四個人站著。在航海室裡唯一一個站著的是信號員站在舵輪邊,徒勞地試著左舵阻止艦的右轉向,經他指點我找到了艦長,就躺在舵輪邊,艦長曾向他指示要擱淺本艦所以他在試著把它開向薩沃島,它在左前方約4英里處。我來到房間左邊看出去發現船隻已經嚴重左傾,船首開始下沉。這時艦長站起來又倒下了,很明顯他死了,除了一聲呻吟,再沒別的聲響。」昆西號在02:38時沉沒。
和昆西及阿斯托里亞一樣,文森斯號也看到了南邊的空中信號彈並且還看到了南方交戰的炮火。01:50時當文森斯號被日本探照燈照到時猶豫了下是否開火,以為那是友艦。之後加古號向文森斯號開火,於是01:53時文森斯號開始還擊。當文森斯號受創時,艦長弗里德里克-路易斯-里夫科赫下令增速到25節。但是在01:55時,兩條來自鳥海號的魚雷命中了文森斯號,衣笠這時也同加古一起向她開火,文森斯則取得了對衣笠號的一記命中,擊傷了操舵機構。其他的日艦也開始攻擊文森斯號,共計命中74次,在02:03時,又有一枚夕張號發射的魚雷命中。文森斯號鍋爐室全毀停船,到處燃起大火併向左傾斜。02:16時, 里夫科赫下令棄船,該船於02:50時沉沒。
02:16時,日本艦隊駛出攻擊範圍,停止向北方支隊開火。拉爾夫·塔爾博特號遭遇了古鷹,天龍和夕張號,日艦用探照燈鎖定了拉爾夫·塔爾博特號,並命中數發,造成了嚴重破壞。但是拉爾夫·塔爾博特號逃入了颮雨區,日艦於是丟下她離去。
日艦撤退 02:16時鳥海號上討論了是否繼續攻擊美軍運輸船團。當時日艦已經隊形散亂,重新組織起來需要時間。各艦的魚雷管要重新裝填,這要很長的時間;而且魚雷和炮彈消耗甚巨。
另外三川擔心美軍航母就在附近,因此如果發起攻擊,他可能無法在天亮前逃出打擊圈。然而三川並不知道美軍航母已經離開。當時數名軍官,特別是鳥海的艦長早川干夫大佐再三催促他發起攻擊,曾說「如果擔心全艦隊安危可讓其他艦隻撤退,只留鳥海一艦去攻擊」。而大西新藏參謀長和神重德首席參謀則主張撤退。
02:20時三川下令撤退。
戰後
軍驅逐艦布魯號及派特森號疏散陷入火海中的坎培拉號艦上人員
9日4時帕特森號開到坎培拉號旁幫她滅火。到5時火勢得到控制,但是特納決心在6:30以前撤走所有艦隻,因此下令擊沉。在人員轉移後塞爾弗里奇號和埃利特號將她擊沉。
這一天稍過些時候范德格里夫特向特納說他需要時間從船上運物資,於是特納將撤退時機推到下午。阿斯托里亞號的火災在奮戰之後仍然無法控制於是在12:15時沉沒。
這天早上,一名布干維爾島的澳大利亞海岸觀察員報告說從拉包爾飛來日本空襲飛機,為此船團停止作業一段時間但卻沒有空襲發生。直到戰後盟軍才得知這次的空襲目前標是瓜島南邊的賈維斯號,該船在空襲中沉沒。到夜間所有的軍艦和運輸船離開了瓜島海域 。
至於日軍,第八艦隊從所羅門中央水路以30節速度撤退,在天亮前就平安撤離攻擊圈。9日上午,三川下令第八艦隊解散,第六戰隊的4艘重巡駛往新愛爾蘭群島卡維恩,夕張和夕凪前往肖特蘭錨地,鳥海和天龍則返回拉包爾。10日早上,第六艦隊離卡維恩還有100多海里,已經進入了本方制空範圍內。第六戰隊司令五藤存知少將下令減速至16節,以之字形反潛路線前進。日本時間0710加古號上的瞭望員急報「右方50度、1000米、疑似魚雷」,但加古已經來不及避讓,艦首、艦中、艦艉各命中魚雷一發,中雷5分鐘後即沉沒。擊沉了加古的美國潛艇S-44沒有使用潛望鏡,而是在水下聽音,在650米處發射了4枚魚雷,然後立即退避。
因為向圖拉吉運兵的運輸船被潛艇擊沉,最初的反攻瓜島和圖拉吉的計劃遭到了挫敗。第八艦隊本來是要攻擊運輸船,結果還沒送上島的重裝備毫無損失。不過盟軍因為擔心日軍的攻擊,暫停了物資卸載;已經上島的裝備數量很少,大部分都積壓在運輸船上。雖然沒有摧毀運輸船隊,但第八艦隊的行動也妨礙甚至阻止了裝備的卸載,依然取得了一定成果。另外也有意見指出,即使第八艦隊徹底消滅了運輸船隊,但盟軍依舊擁有著壓倒性的物資與運力,而且瓜島離澳大利亞如此接近,而日軍由於零式艦戰的航程的緣故也到了制空權的極限。
陸軍方面,負責儘速奪回瓜島的17軍參謀長二見秋三郎少將哀嘆道:「叫他去取蜜柑,結果只剝了層皮就回來了。」他在日記裡對第八艦隊由於害怕航母而處處躲避的做法相當不滿。海戰後敵人運輸船隊依舊存在,山本五十六大怒,把第八艦隊的戰績明細書一把抓爛,「就憑這種東西也想要拿勳章嗎!」但最終還是在聯合艦隊參謀的勸說之下,認可了功績。山本的幕僚、參謀長宇垣纏也對第八艦隊的行動提出批評:「損傷不大,彈藥也還有,真的有必要撤退嗎?」同時針對瓜島周邊偵察不足的情況,指責航空隊和潛艇「根本沒意識到本次作戰的重要性」。
有說法稱永野修身曾經向三川交待說「雖然是無理的要求,但是日本的工業力有限,希望儘可能不要損壞軍艦」而造成了這種決定。同時也有學者認為即使三川擊毀了船團,考慮到美國的物質實力和瓜島離澳大利亞的距離近卻遠超出零式的航程,最終還是要戰敗的。第二日胡蜂號的艦長福雷斯特.謝爾曼曾向弗萊徹要求追擊日本艦隊被駁回,有學者認為如果這要求得到許可三川艦隊將難於倖免。
日軍自從中途島大敗以來一直低落不振的士氣,受到此次大勝的鼓舞而昂揚起來。此海戰使得立案的神重德大佐被捧為「作戰之神」,從此他的魯莽作戰每每得到通過也與此不無關係。另一方面,日軍空中部隊的戰果誤認問題始終沒有得到解決。日軍上報為「確定重巡4條甲巡3條起火沉沒,另有輕巡一條驅逐艦六條擊沉,重創輕巡一條驅逐艦兩條」。日方將此戰報和25航戰的錯誤戰果合稱「第一次所羅門海戰」,作出了戰果輝煌的「美甲巡洋艦6隻、英甲巡洋艦2隻、米乙巡洋艦1隻、英乙巡洋艦1隻、艦型不詳乙巡2隻、驅逐艦9隻、潛水艦3隻、輸送船10隻」和「戰列艦1隻、重巡洋艦4隻、輕巡洋艦4隻、輸送船10隻擊沈。甲巡1隻擊破、輸送船4隻擊破、重創。戰鬥機49機、轟炸機9機擊落。我方航空機21機喪失、巡洋艦2隻損傷」的大本營公報。日後的馬里亞納獵火雞大賽、台灣空戰和雷伊泰灣海戰中的誤報問題愈發嚴重。宇垣纏自己寫到:「早就認識到了目視判定的戰果和實際情況有很大差距」。而第八艦隊從這一戰開始,也不信任友軍的戰果,幾乎是將己方的航空戰果按十分之一來計算的。
此外,籠罩在大勝的陰影之下的,還有夜戰時使用探照燈的艦船會有遭到敵軍集中攻擊的危險的問題。天龍的探照燈被擊毀。鳥海雖然只是小破,但是命中200毫米彈6發、127毫米彈4發。尤其是擊穿了鳥海艦橋後方作戰室的一發炮彈如果爆炸的話,只有一牆之隔的司令部將會全體戰死;但是因為這發炮彈未爆,鳥海才只有死亡34人、負傷48人。死傷者中除了第一炮塔內戰死的15人以外,主要是通信甲板上的觀察員等非戰鬥配置人員。青葉上的魚雷也曾被機槍命中,引發了火災,如果不是杉浦一等水兵的拼死撲救,青葉有可能當場爆炸沉沒。這些問題因為三川下達了封口令秘而不宣,結果導致了瓜島海戰(日方稱第三次所羅門海戰)戰艦比叡的沉沒。
美軍方面,此戰之後幾個月內,只能用小型船隊在從新赫布里底群島出發的航母和亨德森機場掩護下,在白天往瓜島運送補給,使得島上美軍只能依靠最低限度的彈藥補給,來抵禦日軍島上部隊的多次進攻。
美軍此次戰鬥中的拙劣表現,與其低劣的彈藥質量也不無干係。芝加哥號戰鬥時發射的44發照明彈最終只有6發爆炸。8日被擊傷的George F. Elliott號運輸船最終被決定放棄,美軍驅逐艦發射的4枚魚雷雖然全部命中,但只有1枚爆炸。這種問題的原因在於美軍的魚雷都沒有經過實戰測試,要到1943年8月美軍潛艇司令查爾斯·A·洛克伍德少將進行的測試後才逐步解決。
儘管美軍在此次戰鬥中慘敗,但仍然獲得了整個瓜島戰役的最終勝利。從事後諸葛的角度看,如果三川於8月9日攻擊運輸船隊,有可能造成瓜島會戰以美軍失敗告終,並且使得南太平洋的戰爭進程更加困難。而美國戰艦雖然一敗塗地,但運輸船隊安然無恙;在接下來的幾個月船隊中的很多船都將會反覆向瓜島運送物資。
美國海軍組織的調查委員會(「赫本調查」)於1942年12月開始正式查問盟軍的相關高級海軍軍官。調查持續了數個月,但只正式譴責了一名軍官:芝加哥號的艦長霍華德·波德,因為他並沒有給其他盟軍艦艇發出警告。調查委員會對其他人,包括弗萊徹、特納、馬侃、克拉奇利和里夫科赫等,都沒有提出正式行動。特納、馬侃和克拉奇利此後的海軍生涯看不出此海戰的影響,但是里夫科赫再也沒有指揮過軍艦。波德在得知他將受嚴厲譴責時,在1943年4月19日於巴拿馬巴爾博亞的住處開槍自殺。克拉奇利於1944年9月得到了軍團優異勳章。
特納後來說此敗實在是奇恥大辱。歷史學家理察·法蘭克指出:「此時美國海軍還沉浸在戰技術上優於敵人的感覺中。儘管已有大量的相反證據,但我們的官兵還深信我們比日本人優越而且能在任何交戰情況下打敗他們。 這種心態產生的唯一後果是一種毫無警惕的自信,一種懶散狀態,以及將和平時的作法延續下去的慣性。我相信這種心理原因在所有戰敗原因中,遠比奇襲的因素重要。」「這種懶散心態不經猛烈的打擊是無法去掉的。而在薩沃之後美國人爬回甲板,開始面對他們歷史上最野蠻的戰鬥。」
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