盟军舰队由下列舰只组成：英驱逐舰“伊勒托拉”、“周比特”、“英康特”担任前卫，杜尔曼亲率巡洋舰“鲁特”、“厄克塞特”、“休斯敦”、“伯斯”、“爪哇”为中路舰队，左翼是荷兰驱逐舰“威斯”、“厄佛仙”、“喀登涅”，4艘美国驱逐舰“爱德华”、“福特”、“阿尔丹”、“保罗詹斯”为后卫，以一派威武雄壮的气势，浩浩荡荡的驶出泗水港。
日本舰队是一支包括41艘运输舰在内的东部入侵舰队，由海军少将西村指挥，旗舰是“那珂”。这支部队由海军少将高木指挥的庞大舰队进行掩护，旗舰是“那智”。2月26日，日军将这支入侵部队分成两个舰群，准备在第二天让一个舰群驶往马威岛西北部，另一舰群往威安岛的西部。他们没想到会碰上盟军的强烈抵抗，当其侦察机在10：20分报告发现盟军舰队时，它们感到十分吃惊，于是高木尽力将兵力及时的做必要的集中，当时他只有2艘重巡洋舰，2艘轻巡洋舰和14艘驱逐舰。从两军实力的比较来看，日军并不占优势，但在其它方面，日军占有优势，杜尔曼的通讯能力比较差，没有飞机去进行侦察，而日军却不断的用飞机进行侦察。而且盟军的官兵在战斗岗位上已达37小时，不少人已筋疲力竭，杜尔曼在给赫尔弗里的一份电报中提到：“我的部属的耐力已达到极限，很快就要超过限度。”但是每个人的斗志还是很高。27日15：30分，杜尔曼获悉日军的确切位置后，立即下令：“舰队全速前进 ！勿须顾及空袭！搜索和攻击日舰！”
由于盟军舰队向东行进，日舰指挥官便错认盟舰在他们的威压之下而向泗水逃逸，因此继续往预定登陆地点进发。当盟军舰队突然转航时，令他们十分惊讶，首先驶向他们的便是有着特异高大桅杆的“鲁特”号巡洋舰，日本舰队盼望着“那智”和“羽黑”马上赶来支援他们。
正当由于日本驱逐舰的大炮射程有限，而无法实施反击，只能被动挨打时，“那智”和“羽黑”从远处赶来开始发射炮弹。日本“神通”及其8艘驱逐舰便试图占领有利的阵位实施鱼雷攻击，此时，杜尔曼发现自己在战术上处于越来越不利的形势，因为日军将有跨越t字头战术的危险，两支对峙的舰队距离缩短，这样盟军的轻巡洋舰就可以开炮射击，日本驱逐舰“时津风”被一弹命中，舰上的小艇被炸成碎片凌空飞舞，日本驱逐舰则利用航速快的优势，向前航行以占有利的阵位发射鱼雷，当日舰距盟舰约7公里时，为防不测，田中赖三下令攻击，“神通”率先发射鱼雷，“雪风”(终战后由中华民国接收，改名“丹阳”)、“天津风”、“初风”也不顾弹幕烟尘的呛鼻，先后的进行了鱼雷攻击。40馀枚鱼雷向盟舰飞窜而来，这一猛烈攻击迫使杜尔曼再次向左转舵。
炮战仍在紧张的继续着，盟军旗舰虽然被击中两次，但炮弹未爆炸，未受损失。盟舰逐渐转向，再次驶向日舰，在17：05分，“厄克塞特”被一颗至近弹或是鱼雷击中，紧接着“休斯敦”也被一枚炮弹击中，舰艇不得不减速，17：08分，一艘受损伤正欲退出战场的日舰向盟舰射出最后一炮，不料正中“厄克塞特”的锅炉，它的8个锅炉有6个被毁，“伯斯”随及在受伤的巡洋舰四周施放烟幕，使其免受日舰攻击。而在激战之中，盟舰队损失惨重，“喀登涅”被鱼雷命中腰部，被炸成两截。22：30分，杜尔曼率舰队沿海岸西驶，不料驶入盟军自己布设的雷区，损失惨重。28日凌晨，盟舰突然发现日舰“那智”、“羽黑”与之相距不到6公里，盟舰由于措手不及而失去攻击机会，仅几分钟，日舰神速的掉头北驶，选择一个有利的位置向盟舰发射12枚鱼雷，“鲁特”和“爪哇”两艘巡洋舰皆因闪避不及而被命中，两舰燃着大火壮烈的沉没了。“鲁特”上的杜尔曼少将本可以搭乘救生艇离开险境，但他选择了与“鲁特”一起沉入大海的决定，壮烈殉职。泗水海战，使盟军保卫爪哇岛的海上力量几乎崩溃，盟舰的作战仅使日军登陆比预定时间推迟一天。
1941年12月用于印尼作战的日军是第16军，军长今村均中将，兵力仅一个半师，即第2师团、第56混成旅团和川口支队。因此无法组织大规模进攻，只得分两阶段实施，先扫清外围，再强攻爪哇岛。1942年日军大本营将刚完成香港和马尼拉作战的第38和第48师团划归第16军，第3飞行集团和第11航空舰队负责空中支援，第2舰队南方部队负责海上支援。
同盟国方面，印尼当时为荷兰殖民地，主要兵力为6.5万荷印军和1.6万美澳军，但荷印军下级军官和士兵多为印尼当地人，与中上级荷兰军官存在深刻矛盾，而且装备低劣，训练又差；美澳军则是刚从菲律宾撤下来的败军，士气低落。日军第一阶段作战，分为西、中、东三个方向。
西路主要兵力为川口支队和第38师团，川口支队是由第35旅团旅团长川口清健少将指挥的第124步兵联队，加强有海军陆战队和工兵一部。12月16日在米里登陆，然后兵分两路向婆罗洲纵深推进。2月14日，久米精一大佐指挥的第1空降旅在苏门答腊岛巴邻旁伞降着陆，经过激战攻占巴邻旁。次日，第38师团先遣部队赶来，协同空降兵巩固巴邻旁。2月18日第38师团主力也抵达，完整夺取了巴邻旁油田。中路，以坂口支队为主要兵力，坂口支队是由第56混成联队长坂口靖夫少将所部，加强有炮兵和工兵一部。负责夺取婆罗洲东南的打拉根、巴厘巴板和马辰。1月11日，日军在打拉根登陆，但遭到荷印军顽强抵抗，直到14日才攻取打拉根，此时岛上的石油设施已遭到严重破坏。1月24日，日军又在巴厘巴板登陆，三天后攻占机场和巴厘巴板城。日军对马辰的攻击采取的是海陆夹击，2月10日海上攻击的部队登陆，陆上进攻的部队经过九天的急行军也同时发起攻击，两路夹击迅速攻占马林机场和马辰。
东路日军以东方支队（即第38师团一部）和海军陆战队组成，东方支队于1月31日和2月20日攻占安汶和帝汶，海军陆战队于1月11日、24日、2月9日和19日接连攻占万鸦老、肯达里、望加锡和巴厘。至此，爪哇岛东、北、西三面要地都被日军攻占，第一阶段作战宣告结束。第二阶段作战，从3月1日开始，日军第2师团和16军直属部队在孔雀港和万丹湾登陆，第38师团的东海林支队在坎丹奥登陆，第48师团和坂口支队在克拉甘登陆，三面夹攻爪哇岛的盟军。东海林支队于登陆当天就迅速攻占加里茶机场，并切断雅加达和万隆之间的交通。第2师团5日攻占雅加达，6日攻占茂物，9日占领万隆。第48师团于8日占领泗水港，同日坂口支队占领芝加扎，彻底切断守军撤向澳大利亚的退路。3月9日，爪哇岛盟军余部投降。3月12日占领爪哇岛，3月15日前，占领荷属印度诸岛。