不出所料，5月24日清晨5时37分，德舰了望哨在舰队左前方约19海浬的水天线上发现了两个舰影，那是由霍兰德（Holland）海军中将指挥下的“胡德”（HMS Hood）号战列巡洋舰和“威尔士亲王”（HMS Prince of Wales）号战列舰。二战中最经典的战列舰对决随即拉开了战幕。英德舰队的距离迅速缩短，5时52分，“胡德”号在23000米距离上首先开火，两分种后，德舰开炮还击，但“胡德”号炮手将舰形相近的“欧根亲王”号误认为是“俾斯麦”号，最初的火力都集中在德国重巡洋舰身上，而且由于航向偏移，英舰也未能发挥全部主炮的威力，只能以前主炮射击。6时整，就在霍兰德中将发现了目标识别的错误，并冒险转向以发挥全部舷侧火力时，“俾斯麦”号的第5次齐射命中了“胡德”号后部炮塔，这艘皇家海军最强大的战舰随即发生了大爆炸，断成两截，仅3分钟后就在海面上消失了，连同霍兰德中将在内的1421名官兵中仅3人幸存。德舰随后集中炮火轰击“威尔士亲王”号，迫使后者施放烟雾撤离战场。德国人干净利落地赢得了胜利，但也受到了一定的损失，特别是“俾斯麦”号的一个油舱被击穿，遗失了部分燃油，还在舰尾留下了一条油迹，使英国人更易追踪。

■ 英国战列巡洋舰“胡德”号的三名水兵，当该舰沉没时，全舰1421名官兵仅3人幸存。

■ 1941年5月24日，“胡德”号被“俾斯麦”号命中，发生爆炸，高大的烟柱直冲云霄。

因为战舰受伤，吕特晏斯决定率“俾斯麦”号向圣纳泽尔返航，让“欧根亲王”号单独执行猎杀任务。5月24日晚，“俾斯麦”号突然转向，向跟踪的英舰开火，掩护“欧根亲王”号脱离，它随后也消失在茫茫大洋中。急于为“胡德”复仇的英国海军调集了所有能用的舰艇，共计6艘战列舰、2艘航空母舰、13艘巡洋舰和21艘驱逐舰，展开大搜捕。5月26日10时30分，“皇家方舟”号航空母舰的舰载机终于发现了“俾斯麦”号并发起了攻击，命中三枚鱼雷，其中一枚击伤了船舵，使德舰失去了机动能力。次日早上，英国战列舰“乔治五世”（HMS King George V）号和“罗德尼”号赶到战场将“俾斯麦”号重创后，由其他英舰用鱼雷将其击沉，全舰2092名官兵仅有110人获救，吕特晏斯海军上将和舰长林德曼海军上校阵亡。“欧根亲王”号因为轮机故障也没有继续进行游猎行动，于5月31日到达布雷斯特。

“莱茵演习”行动虽然取得了击沉“胡德”的战绩，但德国海军损失了一艘宝贵的战舰，是巡洋作战以来最为沉重的失败，“俾斯麦”号的沉没标志着英国皇家海军在对抗德国袭击舰的战斗中取得了具有转折意义的胜利，因为首次有一艘德国大型军舰在试图突入大西洋的时候被击沉。更重要的是，雷达和海军舰载机在这次围歼“俾斯麦”号的过程中发挥了十分重要的作用。对德军来说，“俾斯麦”号的沉没不仅仅是一艘军舰的损失，雷德尔主张的巡洋作战理论也受到了严重置疑，整个德国水面舰艇部队的士气也受到了沉重打击。希特勒害怕海军其他大型战舰也会遭到和“俾斯麦”同样的命运，下令禁止它们进入大西洋进行游猎，一些已经做好了出击准备的舰艇也取消了行动。至此，德国海军的巡洋作战开始走下坡路。