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就在大森舰队返航时，拉包尔的日本陆海军决定以第十七师团和第三十八师团各一部组成决死队，由海军运送对托罗基纳角实施反登陆。同时将“阿贺野”号巡洋舰和５艘驱逐舰组成第三袭击部队，也归大森指挥。
１１月１日１３时许大森刚回到拉包尔后，立即领受新的任务，率领三支袭击部队中所有在拉包尔的军舰出海搜索并消灭美军舰船，同时运送决死队在托罗基纳角以北的加塞雷湾登陆。大森将所有在拉包尔的军舰重新编组，“天雾”号、“夕风”号、“文月”号和“卯月”号４艘驱逐舰组成运输队，负责运送决死队；“妙高”号和“羽黑”号２艘重巡洋舰为本队，由大森亲自指挥；“川内”号轻巡洋舰、“时雨”号、“五月雨”号和“白露”号３艘驱逐舰为第一警戒队，由伊集院少将指挥；“阿贺野”号轻巡洋舰、“长波”号、“初风”号和“若月”号３艘驱逐舰为第二警戒队，由大杉少将指挥，这三支舰队为运输队提供掩护与支援。
１７时３０分，运输队运载９３０名决死队从拉包尔出航，先驶往科科波装上舟艇等上陆工具。随后三支舰队也相继出航，四支舰队于２０时３０分在海上会合，由于“夕风”号最多只能以２６节航速前进，拖了整个舰队的后腿，以这样的航速大森估算根本不能在１１月２日３时３０分前抵达加塞雷湾，加之舰队由被美军侦察机发现，便请求改变反登陆计划。草鹿只得取消反登陆计划，命令运输队返航，另三支舰队则继续前进，消灭美军运输舰船和为其护航的军舰。
此时美军水面舰艇部队的主力第三十九特混编队在完成对肖特兰岛炮击后已经南下补给——第三十九特混编队由第十二巡洋舰大队、第四十五和四十六驱逐舰分队组成，共有４艘巡洋舰和８艘驱逐舰，由梅里尔统一指挥……第十二巡洋舰大队和第四十六驱逐舰分队在韦拉拉韦拉岛补给，第四十五驱逐舰分队则在库拉湾进行海上加油，哈尔西接到日军舰队出动的报告后立即命令该编队前去迎击，梅里尔马上指挥编队北上，当晚２３时１５分在布干维尔岛西南海域两支编队会合后，便以２８节航速向奥古斯都皇后湾疾进。
美军编队航行序列是伯克海军上校指挥第四十五分队为前卫，梅里尔率领第十二大队为本队，奥斯汀海军中校率第四十六分队为后卫，各队之间间隔约４０００米，均排成单纵队。梅里尔的作战计划是首先以驱逐舰从日军舰队两翼实施鱼雷攻击，巡洋舰则扼守奥古斯都皇后湾口，以舰炮进行拦阻射击，确保登陆滩头的安全。
１１月２日１时４０分，日军“羽黑”号巡洋舰上的舰载侦察机报告在奥古斯都皇后湾以南约９０千米发现敌我不明的巡洋舰１艘、驱逐舰３艘，十分钟后，“妙高”号的舰载侦察机也发挥了相同的报告，实际上日军飞行员的舰艇辨识能力太差，被发现的只是威尔金森派出进行布雷的１艘驱逐舰和３艘布雷舰。大森认为己方占有优势，迫不及待地率领舰队冲了过去，此时日军舰队的航行序列是三路纵队，各有１艘轻巡洋舰和３艘驱逐舰组成的第一、第二警戒队为左右两翼，位置稍稍偏前，本队２艘重巡洋舰居中稍后，各队之间相距约５０００米。
２时２７分，梅里尔编队驶抵奥古斯都皇后湾附近，通过雷达发现在西北约３．３万米外的日军舰队，梅里尔立即命令按照作战计划驱逐舰前出实施鱼雷攻击，巡洋舰则转向迎击日军本队。
２时４６分，伯克分队冲到距离日舰约５０００米，一口气射出２５条鱼雷，可惜由于距离较远，无一命中。直到此时，日军才刚刚发现美舰，大森急忙命令转向，变换成战斗队形投入战斗。
梅里尔原打算在鱼雷爆炸的同时巡洋舰再进行舰炮射击，但２时４９分，发现日舰正在改变航向，便果断下令开炮！４艘巡洋舰上的４８门１５３毫米主炮集中轰击距离最近的日军左翼第一警戒队，日军“川内”号轻巡洋舰中弹起火，舵机失灵；“白露”号驱逐舰也被击中，失去控制，一头撞上“五月雨”号驱逐舰，两舰都受到损伤，航速锐减。而日舰的还击炮火由于其火炮射程较近，无一命中，第一警戒队司令伊集院只得率队向西北败退。
日军本队转向后准备发扬其２０３毫米主炮的威力，实施远距离射击，但由于日舰没有装备雷达，还没有发现美舰位置，为确定美舰位置，大森下令左舵回旋。而在本队右侧的第二警戒队不知其用意，也跟随本队进行回旋，当本队结束回旋继续前进后，第二警戒队却陷入了一片混乱，队形被彻底打乱。就在这时，美舰的炮火呼啸而至，密集的炮火激起了一个又一个巨大水柱，“羽黑”号连中六弹，好在只有两弹爆炸伤势不重，日舰在规避炮火中，由于队形混乱，“初风”号驱逐舰竟撞上了“妙高”号重巡洋舰，驱逐舰两座鱼雷发射管全被撞毁，舰首右舷船体也被撞坏。
这时日军侦察机投下红白两色照明弹，正巧在美舰上空有大片云层，成为天然的反光幕布，将美军４艘巡洋舰照得一清二楚，大森终于确定了美舰的位置，立即指挥编队转向１６０度，全速逼近美舰，当距离缩短到１．１万米时，大森下令发射鱼雷，并以舰炮猛烈轰击。此时美舰刚完成１８０度转向，原来的殿后舰“丹佛”号变成前卫，距离日舰最近，因此遭到的攻击也最为集中，被三发２０３毫米炮弹命中，好在全都没有爆炸，但炮弹造成舰体破裂，大量海水涌入，航速锐减，从而影响了整个编队的航行速度。梅里尔见势不妙，便下令左转并施放烟雾。大森见到美舰附近有巨大水柱腾空而起，接着美舰又不见踪影，以为美军巡洋舰已全被鱼雷击沉，加上为了在拂晓前驶出美军岸基航空兵的作战范围，便于３时４０分指挥舰队向拉包尔返航。实际上巨大的水柱是日舰炮弹落海溅起的，而美舰消失则是隐蔽在烟雾之中。
而奥斯汀指挥的第四十六分队奉命攻击日军舰队右翼，但由于该分队处在整个美军舰队的最后，距离较远，还没有到达发射鱼雷的阵位，双方炮战就已经开始，这样该分队不仅没有能发射鱼雷，而且夹在双方巡洋舰之间，遭到敌我双方的火力夹击，“富特”号驱逐舰起先因机械故障而掉队，就在修复故障追赶大队主力时竟撞上日军发射的鱼雷，舰尾被炸毁，丧失机动能力，而且还停在巡洋舰的前方，影响了巡洋舰的机动和战斗。其他３艘驱逐舰既要规避日舰的炮火，又要躲开己方巡洋舰的攻击，不得不进行一系列复杂机动，结果“斯彭特”号和“撒切尔”号发生了碰撞，幸好只是上层建筑受损，航速未受影响。在猛烈炮战中，“斯彭特”号水线部位中弹，海水涌入燃油舱，航速下降，但仍继续接敌，并在日军２艘巡洋舰前方５５００米占领了发射鱼雷的最佳阵位，可是战斗情报中心坚持认为这是友舰，奥斯汀只得放弃攻击，向北寻找战机。很快发现了受伤的“川内”号，在其附近警戒的“白露”号和“五月雨”号驱逐舰见美舰逼近，急忙撤退，美舰先向“川内”号发射八条鱼雷，两雷命中，接着再追击２艘驱逐舰，双方以鱼雷、舰炮相互攻击，均无战果。“斯彭特”号因海水涌入燃油舱，航速大受影响，眼看无法追上日舰，奥斯汀只好率舰返回。
美军伯克分队在发射完鱼雷后，４艘驱逐舰就在夜暗中失散，伯克足足花了一小时才将各舰重新集结起来，然后重返战场，首先发现的是已遭重创的“川内”号，随即开炮将其击沉。接着雷达又发现西北方向有多个目标，那既有奥斯汀率领的３艘驱逐舰，又有日舰“白露”号和“五月雨”号驱逐舰。伯克率队全速追击，不久就发现这些目标相互炮击，伯克觉得疑惑，便用报话机呼叫奥斯汀：“我准备向６４００米外的目标开火！”奥斯汀急忙回答：“别开炮！那是我们！”美军两支驱逐舰分队总算搞清了彼此的位置，避免了误击悲剧，却也萌站鞍茁丁焙藕汀拔逶掠辍焙徘鸾⒌靡蕴油选？/p&；gt；
随后奥斯汀分队发现了日军撞伤的“初风”号驱逐舰，立即以舰炮轰击，使其多处起火，接着伯克分队赶来助战，终将其击沉。
梅里尔预计天亮后日军将会出动大批飞机前来攻击，便于凌晨下令停止追击返航。因“富特”号已经失去航行能力，梅里尔就派“克拉克斯顿”号拖带，“查尔斯”号和“撒切尔”号护航。
８时许，日军１８架轰炸机和８０架战斗机飞来，梅里尔早有准备，已指挥各舰排成环形防空队形，以各种口径火炮组成灼烈火力网，总共击落１７架日机。而日机投下的****只有两弹落在“蒙特培利尔”号飞机弹射器上。
日机重新编队正准备实施第二次攻击，美军担负空中掩护的１６架战斗机赶到，击落８架日机，并将其余日机驱散。这批日机刚返回拉包尔，就遭到美军西南太平洋战区第五航空队的大规模空袭，损失惨重，从而失去了发动第三次空袭的实力。
梅里尔编队返航途中又奉命掩护４艘第二次进入滩头的运输船，至３日９时将这４艘运输船转交给从瓜岛赶来的护航军舰，然后全速返回佛罗里达岛锚地，“富特”号等４舰则于４日回到基地。
大森率领日军舰队于２日陆续回到拉包尔。被击沉的“川内”号上的伊集院海军少将和７５名舰员被“吕－１０４号”潜艇救起，于５日回到拉包尔。另５１名舰员则乘救生艇登上新爱尔兰岛。
此次海战，日军称为“布干维尔岛海战”，美军则称之“奥古斯都皇后湾海战”，海战中日军巡洋舰和驱逐舰各１艘被击沉，伤巡洋舰１艘、驱逐舰２艘。美军伤巡洋舰１艘，驱逐舰３艘。因为在海战中拙劣指挥，大森随即被撤职。
美军第三十九特混编队出色完成了阻击日军舰队保护滩头的