Mapa de la acción desarrollada durante la batalla (click para ampliar).

A las 06:32h el Exeter lanzó dos torpedos desde sus tubos de borda, pero ninguno de ellos impactó en el acorazado alemán. A las 06:37h el Ajax lanzó un avión que tenía en cubierta, ubicado sobre una catapulta, con el fin de atacar por aire y un minuto después, el Exeter viró poniendo encarándose hacia el Graf Spee y lanzando sus torpedos de proa, momento en que recibió dos nuevos impactos directos de las torretas de 280 mm. Uno de ellos puso fuera de combate la torreta de fuego A, mientras que el otro alcanzó un pañol de municiones, iniciándose una cadena de terribles explosiones. Al Exeter le quedaba solamente operativa la torreta Y, estaba seriamente dañado, con una vía de agua que le llevaba a pique por momentos y guiado por únicamente por el compás de uno de sus botes de salvamento.

A las 06:40h, otro proyectil de 280 mm impacta muy cerca del Achilles a la altura de su puente, provocando numerosas bajas y causando daños que obligaron a continuar el fuego desde la posición secundaria de control. Tras lanzar esta andanada, el Graf Spee viró al oeste, cubriéndose bajo el manto de una impenetrable cortina de humo. Los cruceros ligeros iban en esos momentos a una velocidad de 31 nudos, en dirección al acorazado alemán y a las 06:56h tanto el Ajax como el Achilles mostraron su costado a fin de soltar una única andanada conjunta contra Graf Spee, que le obligó a permanecer en cubierto por la cortina de humo. Tras esta arriesgada maniobra, pusieron de nuevo proa hacia su objetivo, a pesar de que de ese modo únicamente podrían emplear sus torretas delanteras.

A las 07:16h el Graf Spee puso rumbo a puerto a fin de realizar reparaciones, y tratando por el camino de hundir de forma definitiva al Exeter. Pero anticipándose a las claras intenciones de los alemanes, el fuego del Ajax y el Achilles, que buscaban atraer hacia sí el fuego de los alemanes, forzó al Graf Spee a responderles, momento en que los dos buques británicos repitieron la maniobra anterior y mostraron sus bordas para concentrar su fuego. Inmediatamente después, el Ajax lanzó a las 07:24h sus torpedos de corto alcance de (7 km), con lo que obligaba de nuevo al acorazado alemán a buscar cobijo en una cortina de humo. Poco después, a las 07:25h, el Ajax fue alcanzado por un proyectil de 280 mm que dejó fuera de combate su torreta X y dañó de forma considerable a la Y, provocando además numerosas bajas.
A las 07:30h, la única torreta operativa del Exeter, quedó inutilizada por la pérdida de fluido eléctrico, provocada por las vías de agua provocadas con anterioridad. Seriamente dañado, incapaz de realizar un solo disparo y siendo más una carga que una ayuda, abandona el combate y se dirige, a las 07:40h, hacia las Islas Malvinas.

Mientras tanto, el Ajax y el Achilles se encontraban casi sin munición, obligando a los británicos a cambiar de estrategia virando hacia el este a través de una cortina de humo en una retirada táctica. Harwood decide seguir al Graf Spee en lo que se conoce como shadowing (o ser la sombra de algo o alguien) y tratar de atacarle a la caída de la noche, cuando puede emplear sus torpedos y emplear de forma efectiva su velocidad y maniobrabilidad, minimizando su deficiente blindaje. El Graf Spee se dirigía rumbo oeste y sus sombras iban tras él.

Imagen de la cubierta del H.M.S Exeter tal y como llegó a las Islas Malvinas. Los destrozos de la artillería alemana son impresionantes.

La persecución.
Lo que hasta ese momento había sido una batalla en toda regla, se había convertido en esos momentos en una persecución. Los británicos y neozelandeses se dividieron y se mantenían a unas 15 millas del crucero alemán, el Ajax cubriendo la popa del Graf Spee y el Achilles el costado de estribor. A las 09:15h el Ajax recuperó al avión lanzado con anterioridad y media hora después, Harwood solicitó al Cumberland que les ayudara en la caza, a la vez que el Almirantazgo ordenó a todos aquellos buques británicos de combate que se encontraran en un radio de 3.000 millas (5000 km) que se dirigieran a toda máquina hacia el Río de la Plata.

A las 10:05h el Achilles, subestimando la velocidad del Graf Spee, se introdujo dentro del radio de fuego de la artillería alemana, que lanzó dos salvas consecutivas que le obligaron a retirse y cubrirse en una cotina de humo. La persecución duró el resto del día y ya entrada la tarde, el Graf Spee se revolvió y atacó al Ajax, que tuvo que protegerse de nuevo entre el humo.
A esas alturas quedaba claro ya que el Graf Spee estaba dirigiéndose hacia el interior del Río de la Plata. Como el estuario tenía bancos de arena, Harwood ordenó al Achilles seguir a los alemanes mientras que el Ajax cubriría cualquier intento de volver a mar abierto a través de un canal diferente.

El anochecer se produjo a las 20:48h y los británicos podían ver la silueta del Graf Spee recortándose contra el horizonte: se acercaba el momento propicio para acabar con la pesadilla que se inició a primeras horas de la mañana y en la que habían fallecido un total de 108 hombres en ambos bandos, 36 de los cuales pertenecían al lado alemán. El Achilles se acercó de nuevo al acorazado germano e inmediatamente este abrió fuego, obligando a retroceder al crucero ligero.
El Graf Spee entró en Montevideo, en la neutral Uruguay, anclando alrededor de las 00:10h del 14 de diciembre. Este fue un grave error táctico, puesto que si bien Uruguay era neutral, favorecía los intereses de los Aliados, mientras que Argentina, también neutral y al otro lado del amplio estuario, favorecía, por el contrario, a los alemanes. En aquellos momentos, si el Graf Spee hubiera zarpado de nuevo a mar abierto, se hubiera encontrado con que en toda la zona, los únicos buques de combate pertenecientes a la Royal Navy, eran el Ajax y el Achilles, ambos gravemente dañados. Quizá esa percepción de la situación real, hubiera decantado la fortuna del lado alemán.