12月27號上午11時，剛入役的重巡洋艦巴利阿里號和輕巡洋艦塞爾韋拉號（Cervera，與共和國的兩條巡洋艦同型)在卡塔赫納灣和4條商船匯合，組成了一支護航編隊。這四條商船上一共運載了5萬多噸軍用物資，包括36門149mm榴彈炮和20輛CV.33坦克。雖然從意大利進口了兩條驅逐艦，但是國民軍的海軍仍然缺乏足夠的護航軍艦，每當有運輸重要貨物的船隊到來時，就常常要出動巡洋艦爲其護航。
從和商船匯合開始，一直到12月28號的落日，整個編隊一切順利。夕陽下，莫雷諾透過舷窗看到自己的巡洋艦後跟隨着四條萬噸級貨輪。貨輪的後面是塞爾韋拉號灰色的艦影在昏暗的海面上若隱若現。如果此時國民軍的軍艦出現，哪怕是他們最大的巡洋艦，莫雷諾相信憑藉巴利阿里號上八寸主炮的射程優勢一定可以擊敗他們。
可是即將來臨的夜晚，使得他不由的感到恐懼。他有一種預感，共和國的驅逐艦會在夜幕的掩護下發起進攻。畢竟，在共和國那邊有14條驅逐艦和4條遠洋魚雷艇。他不認爲共和國的海軍將領會愚蠢到放棄這麼好的一個機會，5萬噸軍用物資可是能夠改變一場戰役的成敗。
1936年12月29日凌晨的3點剛過，莫雷諾將軍的預感就變成了現實，負責瞭望的水手報告，發現不明艦隊。負責瞭望的水手是艦上少有的幾個老兵之一。所以莫雷諾立刻下達了準備戰鬥的命令。一瞬間，除了輪機倉裏的水兵，凡是可以用眼睛觀察船外情況的人都面向左舷望去。但是，那裏只是霧茫茫一片，什麼也沒有。突然一條船從霧氣中鑽了出來，雙方的距離是如此之近，好像投個手榴彈就可以砸到那條船。
很快，傳來一聲尖叫，“魚雷、左舷有魚雷”。這叫聲將衆人的眼光吸引到了海面上。海面上有碎浪，藍黑色的海水裏夾雜着幾道白色的雷痕。有人開始祈禱，有人手忙腳亂地穿上了救生衣，還有人開始操縱手裏的機槍向魚雷射擊。而巴利阿里號則開始扭動它那長達193.9米的身軀，巨大的慣性使得船體明顯向一側傾斜。
海面上，魚雷越來越近，讓所有船員感受到等待死亡的可怕。最終，兩條魚雷分別逼近巴利阿里號的艦首和艦尾，然後與這個上萬噸的大傢伙擦身而過。巴利阿里號就在兩條魚雷的空隙間鑽了過去，僥倖逃生。在那一刻，所有的人都屏住了呼吸，直到魚雷滑過艦體。危險過後，只見甲板上歡聲一片。看到自己的座艦無恙，莫雷諾猛一回頭，發現身後的五條船安然無恙，這纔將懸着的心放下來。
“該是我們出手了”巴利阿里號的艦長別爾納（Vierna）看着莫雷諾咬牙切齒地吐出這句話。由於剛纔爲了躲避魚雷，巴利阿里號進行了劇烈的轉向，導致觀測到的數據全部報廢，現在需要花一點時間重新裝定射擊諸元。大約一分鐘後，巴利阿里號兩座前主炮瞄準了發現敵艦的地方。但是很遺憾，現在那裏什麼也沒有。很明顯那些賊頭賊腦的共和國驅逐艦放完魚雷就開溜了。
看到別爾納失望的樣子，莫雷諾連忙說道：“現在也不錯，我們的首要任務是護送商船安全地進港。”當然，他心裏明白，共和國的驅逐艦一旦沒有聽到爆炸聲，就知道攻擊失手了，他們是不會善罷甘休的。不過他轉念一想：現在是3點，只要在拖上三四個小時，等天亮了，我就可以拿八寸炮轟死你們了。
過了一會兒，沒聽到期待中的爆炸聲，烏維塔將軍知道驅逐艦的魚雷攻擊失敗了。很快他又派了2條驅逐艦上前雷擊。不過這次，驅逐艦驚訝地發現國民軍的船隊不見了。霧氣沒有消散的跡象，2條驅逐艦不甘心又在海面上兜了一個圈子，還在沒找到國民軍的船隊。在霧夜裏的卡塔赫納灣，兩支艦隊就這樣上演了一出傳統京劇《三岔口》，一時間誰也沒有找到誰。
12月28日凌晨4點，兩支艦隊幾乎是同時發現了對付，此時他們之間的距離只有5000米。雙方的照明彈將這片海域照亮。照明彈的餘暉下，莫雷諾的編隊開始轉變隊形，由一路縱隊變爲兩路縱隊，巴利阿里號和塞爾韋拉號擋在了共和國艦隊和貨輪之間。而烏維塔的艦隊則由三路縱隊變爲了由巡洋艦打頭，驅逐艦墊底的一字長龍。兩支艦隊都選擇排成傳統的戰列線，開始對轟。
莫雷諾的編隊首先完成編隊的轉化，首先開火。按照射擊條例，正式射擊前首先要進行一個半齊射的試射。巴利阿里號的兩座前主炮首先開火。100多公斤的炮彈只用了短短的7秒鐘，就跨越了5000米的距離。如此近的距離上，哪怕是巴利阿里號上的新手也獲得了一個完美夾射。通過測距儀的鏡頭，可以清晰地看到四條50米高水柱將共和國編隊的旗艦伯塔德號牢牢包圍。30秒後，兩座後主炮也開始射擊，但是沒有命中。直到第2次齊射時，巴利阿里號才獲得一發命中彈。炮彈命中了伯塔德號的中部，並引起了火災，大團的濃煙從破口中涌出，伯塔德號很快減速離開了戰列。
在剛剛開戰的五分鐘內，國民軍無疑獲得了上帝更多的垂青。巴利阿里號的主炮命中伯塔德號一發，並迫使其退出戰鬥。而它副炮也有效地壓制了共和國驅逐艦。塞爾韋拉號的152mm主炮命中塞萬提斯號兩發，不過好像並沒有影響塞萬提斯號的戰鬥力。
而共和國的兩條輕巡洋艦雖然也命中了巴利阿里號四發152mm炮彈，但是都沒有擊中要害。第一發擊中並摧毀了巴利阿里號的水上飛機庫。第二發命中羅經艦橋，打死了不少軍官，但是最重要的指揮人員在帶有裝甲保護的司令塔裏。第三發擊穿了艦首，只是在艦體上開了兩個天窗。第四發擊毀了一門120mm副炮。
仗打到這個份上，烏維塔的信心開始動搖。他的艦隊不斷擊中巴利阿里號，可是這條船就像一個刀槍不入的怪物。而巴利阿里號的一次齊射就迫使自己的旗艦離開戰列。而且隨着伯塔德號的離開，巴利阿里號和塞爾韋拉號開始聯手攻擊塞萬提斯號。烏維塔認爲如果繼續拼下去，這兩條船都會丟在這裏。所以，現在該是撤退的時候了。不過在撤退前，他還是給莫雷諾準備了一些“小禮物”。
很快共和國編隊開始放出了煙霧。濃煙阻擋了雙方的視線，炮擊停止了，海面又一次平靜下來。不過，這並不表示共和國的海軍對這場海戰已經放棄。相反4條共和國驅逐艦將打出最後的一擊。他們以35節的高速，迎着國民軍編隊密集的彈雨衝了上來，他們以巴利阿里號的炮口閃光點位目標，發射了所攜帶全部16條魚雷。
16條魚雷以100米的間隔，覆蓋了整整一海里的區域。而巴利阿里號則拼命扭轉碩大的身軀以躲避這最後也是致命的一擊。但在，在剛纔的炮戰中這條軍艦已經用完了所有的RP，這次連上帝也拋棄了它。一枚魚雷擊中了巴利阿里號的艦首，330公斤的裝藥所引發的大爆炸將整個艦首從船體上撕裂。爆炸引起的震動使得整體船的供電中斷了幾十秒。1500噸海水從裂口擁入船體。但是不幸中的萬幸，經過損管人員的搶修這條船還浮在海面上。
卡塔赫納灣海戰就這樣結束了。海戰的雙方都宣稱自己是勝利者。對於國民軍而言，他們寶貴的貨船安全地抵達了港口，而且他們使得共和國的兩條巡洋艦在船廠分別修理了八個月和三週。對於共和國方面，他們的魚雷擊中了巴利阿里號，使得這條船進廠修理了整整一年。大部分的西方觀察家認爲在此期間共和國方面將掌握了制海權，切斷國民軍的外援通道。