Считая основной целью транспорты конвоя, линкор оторвался от английских крейсеров, но, пытаясь прорваться к транспортам, снова был ими настигнут и опять оторвался, при этом нанеся повреждения крейсеру «Норфолк». После второй неудачи Бей решил прекратить операцию и возвращаться. Приказ возвращаться получили и эсминцы. Однако английский линкор «Дюк оф Йорк» уже находился между «Шарнхорстом» и Норвегией, а немцы выключили кормовой радар, опасаясь выдать себя излучением этого прибора и особо не доверяя ему. Около 16:50 «Дюк оф Йорк» открыл по заранее освещённому осветительными снарядами немецкому линкору огонь с небольшой дистанции. «Шарнхорст» почти сразу же лишился башен главного калибра «Антон» и «Бруно» (последней временно), но бо́льшая скорость позволила ему оторваться от «Дюк оф Йорк». Однако через час вышли из строя котлы «Шарнхорста», так как попаданием 356-мм бронебойного снаряда главного калибра английского линкора был пробит тонкий верхний броневой пояс и гласис главного котельного отделения (80 мм), возвышавшийся на 70-80 см над главной броневой палубой. После этого скорость линкора упала до 8 узлов, хотя и оперативный ремонт позволил увеличить её до 22 узлов, но судьба корабля была уже решена. Благодаря внезапности «Дюк оф Йорк» отделался минимальными повреждениями, «Шарнхорст» же, несмотря на мощное бронирование, потерял ход и, лишившись бо́льшей части артиллерии, стал уязвим для эсминцев. Несколько торпедных атак оказались удачными, как и стрельба «Дюк оф Йорк» с ближней дистанции, и вскоре наступила агония корабля, продолжавшаяся до 19:45, когда «Шарнхорст» ушёл под воду. После погружения с британских кораблей слышали мощные подводные взрывы. Из всего экипажа в 1968 человек спаслись только 36 матросов и ни одного офицера. 30 взял на борт «Scorpion» и 6 — «Matchless».