Ketika pertempuran akan mulai, Sekutu jauh lebih lemah. Mereka terpecah belah (kapal-kapalnya berasal dari 4 negara terpisah) dan moral pelautnya rendah karena serangan udara yang konstan dan rasa takut karena mengira Jepang sulit untuk dikalahkan. Selain itu, koordinasi antara AL dan AU Sekutu lemah.
Armada ABDA melawan Jepang di Laut Jawa, dan kontak senjata terjadi secara terputus-putus dari tengah hari ke tengah malam karena Sekutu mencoba mencapai dan menyerang kapal pengangkut tentara yang akan menyerbu Jawa, tetapi mereka dipukul mundur oleh daya tembak yang lebih hebat. Sekutu memiliki keunggulan udara setempat selama jam-jam di siang hari, karena kekuatan udara Jepang tak dapat mencapai armada itu dalam cuaca buruk. Cuaca seperti itu juga menghambat komunikasi, membuat kerja sama di antara sejumlah pihak Sekutu yang terlibat — dalam pengintaian, lindungan udara dan markas armada — malahan memburuk daripada sebelumnya. Jepang juga mengganggu frekuensi radio. Exeter adalah satu-satunya kapal dalam pertempuran itu yang diperlengkapi dengan radar, teknologi yang masih sangat baru pada masa itu.
Pertempuran itu terdiri atas serangkaian upaya selama lebih dari 7 jam oleh armada di bawah pimpinan Doorman untuk mencapai dan menyerang konvoi penyerbu itu; masing-masing upaya ini ditahan dengan telak oleh armada pengawal Jepang, menyebabkan kekalahan berat di pihak Sekutu.
Kedua armada itu saling melihat satu sama lain sekitar pukul 16:00 pada tanggal 27 Februari dan mendekat ke jarak tembak, mulai menembak pada pukul 16:16. Kedua belah pihak sama-sama menunjukkan kecakapan penggunaan meriam dan torpedo yang rendah selama tahap awal pertempuran ini. Walaupun dilengkapi radar, tak satu pun peluru dari Exeter menghantam lawan. Satu-satunya hasil signifikan dari tahap ini adalah Exeter yang dibuat rusak parah dengan hantaman peluru 8 inci di ruang ketelnya. Kapal itu terpaksa mundur terseok-seok ke Surabaya, dikawal oleh Witte de With. Jepang melepaskan 2 salvo torpedo dengan jumlah total 92 torpedo, tetapi hanya satu yang mencapai sasarannya, Kortenaer yang terbelah menjadi 2 dan tenggelam dengan cepat setelah hantaman itu. Electra, yang melindungi Exeter, terlibat duel dengan Jintsū dan Asagumo, mencetak beberapa hantaman namun sendirinya menderita kerusakan parah pada anjungannya. Setelah mengalami kebakaran serius dan kehabisan amunisi, kapten Electra memerintahkan untuk meninggalkan kapal. Di pihak Jepang, hanya Asagumo yang terpaksa mundur karena kerusakan.
Armada Sekutu meninggalkan pertempuran sekitar pukul 18:00, ditutupi oleh tabir asap yang diciptakan oleh 4 kapal perusak dari Destroyer Division (DesDiv) 58. Mereka juga melancarkan serangan torpedo, namun jaraknya terlalu jauh untuk dapat efektif. Armada Doorman berbalik ke selatan menuju pesisir Jawa, kemudian mengarah ke barat dan ke utara ketika malam tiba, untuk mencoba menghindari kapal-kapal pengawal Jepang dan menyerang armada penyerbu. Pada saat ini kapal-kapal DesDiv 58 yang telah kehabisan torpedo tanpa diperintahkan berbalik untuk kembali ke Surabaya.
Segera setelahnya, pada pukul 21:25, Jupiter menghantam ranjau dan tenggelam, sedangkan sekitar 20 menit kemudian, armada itu melewati lokasi tenggelamnya Kortenaer, dan Encounter ditugaskan untuk menyelamatkan para penyintas. Kapal-kapal Doorman, kini tinggal 4 kapal penjelajah, kembali berjumpa dengan kelompok pengawal Jepang pada pukul 23:00; kedua armada itu saling menembak di kegelapan dari kejauhan, hingga De Ruyter dan Java tenggelam, oleh salvo torpedo yang menghancurkan. Doorman dan sebagian besar awak kapalnya tenggelam dengan De Ruyter; hanya 111 orang yang selamat dari kedua kapal itu. Hanya kapal penjelajah Perth dan Houston yang tersisa; dengan bahan bakar dan amunisi yang tipis, dan mengikuti perintah terakhir Doorman untuk mengabaikan penyintas dan berlanjut ke Batavia, kedua kapal itu melarikan diri dan tiba di Tanjung Priok pada tanggal 28 Februari.
Meski armada Sekutu gagal mencapai armada penyerang, pertempuran itu membuat jadwal invasi Jepang mundur sehari.
Perth dan Houston ada di Tanjung Priok pada tanggal 28 Februari saat menerima perintah untuk berlayar melewati Selat Sunda ke Cilacap. Material di Jawa semakin menipis, dan tak bisa menambah amunisi maupun mengisi bahan bakar, kedua kapal ini bertolak pada pukul 21:00 pada tanggal 28 Februari ke arah barat, hendak melalui Selat Sunda. Secara kebetulan mereka berjumpa dengan armada penyerbu Jepang yang sedang mendarat di Teluk Banten. Kapal-kapal Sekutu ini berhadapan dengan setidaknya 3 kapal penjelajah dan beberapa kapal perusak. Dalam pertempuran malam yang sengit, yang berakhir setelah tengah malam pada tanggal 1 Maret, Perth dan Houston tenggelam. Sebuah kapal penyapu ranjau dan kapal pengangkut pasukan Jepang ditenggelamkan oleh tembakan dari rekannya sendiri, sedangkan 3 kapal pengangkut lainnya rusak dan harus didamparkan.
Setelah perbaikan darurat, Exeter yang rusak parah berupaya menuju Ceylon; berangkat dari Surabaya menjelang malam pada tanggal 28 Februari dan berlayar tertatih-tatih ke Selat Sunda, dikawal oleh Encounter dan Pope. Namun, ketiga kapal itu dicegat, diserang, dan ditenggelamkan oleh kapal penjelajah berat Nachi dan Haguro pada pagi tanggal 1 Maret.
4 kapal pemburu DesDiv 58 milik Amerika Serikat, Edwards, Ford, Alden dan Jones, juga berada di Surabaya; mereka bertolak di senjakala 28 Februari ke Australia. Setelah bertempur sejenak dengan kapal-kapal perusak Jepang di Selat Bali, mereka dapat meloloskan diri dan mencapai Fremantle dengan selamat pada tanggal 4 Maret.
Akibat
2 kapal perusak milik Amerika Serikat dan 1 kapal perusak milik Belanda lainnya tenggelam saat mencoba lari ke Australia. Hampir seluruh armada ABDA dihancurkan: 10 kapal dan sekitar 2.173 pelaut hilang. Pertempuran Laut Jawa mengakhiri operasi AL Sekutu di Asia Tenggara pada tahun 1942, dan AD Jepang menyerang Jawa pada tanggal 28 Februari. Pasukan militer Sekutu menyerah pada tanggal 9 Maret.
Grove, Eric (1993). Sea Battles in Close-Up: World War II, vol. 2. Annapolis, MD, USA: Naval Institute Press. ISBN 07110 2118 X.
Hara, Tameichi (1961). Japanese Destroyer Captain. New York & Toronto: Ballantine Books. ISBN 0-345-27894-1.- Firsthand account of the battle by the captain of the Japanese destroyer Amatsukaze.
Holbrook, Heber (1981). U.S.S. Houston: The Last Flagship of the Asiatic Fleet. Dixon, CA, USA: Pacific Ship and Shore.
Hoyt, Edwin P. (1976). The Lonely Ships: The Life and Death of the Asiatic Fleet. New York: David McKay Company.
Lacroix, Eric (1997). Japanese Cruisers of the Pacific War. Naval Institute Press. ISBN 0-87021-311-3.Parameter |coauthors= yang tidak diketahui mengabaikan (|author= yang disarankan) (bantuan)
McKie, Ronald (1953). Proud Echo: The Great Last Battle of HMAS Perth. Sydney: Angus & Robertson.
Thomas, David A. (1968). The Battle of the Java Sea. New York: Stein & Day.
van Oosten, F. C. (1976). The Battle of the Java Sea (Sea battles in close-up; 15). Naval Institute Press. ISBN 0-87021-911-1.
Spector, Ronald (1985). "The Short, Unhappy Life of ABDACOM". Eagle Against the Sun : The American War With Japan. Naval Institute Press. ISBN 0-394-74101-3.
Whiting, Brendan (1995). Ship of Courage: The Epic Story of HMAS Perth and Her Crew. Australia: Allen & Unwin Pty., Limited. ISBN 1-86373-653-0.
Winslow, Walter G. (1984). The Ghost that Died at Sunda Strait. Naval Institute Press. ISBN 0-87021-218-4.- Firsthand account of the battle by a survivor from USS Houston
Winslow, Walter G. (1994). The Fleet the Gods Forgot: The U.S. Asiatic Fleet in World War II. Naval Institute Press. ISBN 1-55750-928-X.
Media visual
Niek Koppen (Director). (1995) Slag in de Javazee, De (The Battle of the Java Sea) [Documentary film]. Netherlands: NFM/IAF. — 135 minute documentary of the battle. Won the "Golden Calf" award for "Best Long Documentary" at the 1996 Nederlands Film Festival.
Klemen, L (1999–2000). "The Java Sea Battle, February 1942". Dutch East Indies Campaign website. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2011-07-26. Diakses tanggal 2006-05-17.Pemeliharaan CS1: Format tanggal (link)
Gill, G. Hermon (1957). "Chapter 15-16". Official Histories – Second World War; Volume I – Royal Australian Navy, 1939–1942. Australian War Memorial. Diarsipkan dari versi asli(PDF) tanggal 2006-08-27. Diakses tanggal 2006-05-17.
"Fall of the Dutch East Indies". Animated histories of Pacific battles of World War II. Diarsipkan dari versi asli(HTML, Flash) tanggal 2007-09-27. Diakses tanggal 2007-12-16.
^Klemen, L (1999–2000). "Rear-Admiral Karel W.F.M. Doorman". Dutch East Indies Campaign website. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2015-07-08. Diakses tanggal 2011-05-29.Pemeliharaan CS1: Format tanggal (link)
^Klemen, L (1999–2000). "Rear-Admiral Takeo Takagi". Dutch East Indies Campaign website. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2015-07-08. Diakses tanggal 2011-05-29.Pemeliharaan CS1: Format tanggal (link)