美军在谋诺岛登陆(1943年10月27日)后，腊包尔的日海军指挥部就以第5战队为主组成第1袭击部队和以第3驱逐舰战队为主组成第2袭击部队。两者编在一起，称为联合袭击部队，由大森仙太郎海军少将统一指挥，其主要任务是还击从海上来袭之敌。10月31日，日侦察机发现了驶往奥古斯都皇后湾方向的美军登陆输送队，大森便奉命率其部分舰只于当日14时30分离开腊包尔，以28节航速向肖特兰岛以南海域驶去。至次日(11月1日)凌晨，仍未发现目标，便向基地返航。
驻腊包尔的陆军第8方面军司令部11月1日上午得知美军在托罗基纳角登陆后，决定以当地的第38师团之一部和第17师团所属一个大队组成决死队，计划在托罗基纳角以北地区实施反登陆。这时，大森所率的联合袭击部队正在返航途中，距腊包尔还有50余海里的航程。
大森一回到基地，立即去指挥部受领新的命令：率其手中可用的全部兵力再次出击，歼灭来袭的敌舰船，并护送陆军部队实施反登陆。根据第8舰队司令官鲛岛海军中将的部署，负责遣送反登陆部队的输送队，由“天雾”号、“夕凪”号、“文月”号和“卯月”号4艘驱逐舰组成。为其担任警戒的兵力共有3支：大森指挥的第5战队(“妙高”号和“羽黑”号2艘巡洋舰)，伊集院松治海军少将指挥的第3驱逐舰战队(“川内”号轻巡洋舰和“时雨”号、“五月雨”号、“白露”号3艘驱逐舰)，大杉守一海军少将的第10战队(“阿贺野”号巡洋舰和“长波”号、“初风”号、“若月”号3艘驱逐舰)，由大森统一指挥。
输送队载上反登陆部队(约930人)于1日15时30分从腊包尔出航，为其担任警戒的部队也随后出港。输送队先驶至科科波(腊包尔东南)装载上陆工具，于18时30分在腊包尔以南约40海里处与警戒部队会合。会合后，大森发现运输队的航速不能超过26节(“夕凪”号的最大航速)，以这样的航速前进，根本不可能在规定时间(次日1时30分)内抵达预定登陆水域，遂向指挥部发报，要求改变登陆计划。指挥部复电同意，输送队于22时30分折返，而大森率领3支警戒兵力以30～32节航速继续南进，以期袭击奥古斯都皇后湾内的运输舰船。
美军为托罗基纳角登陆输送队担任支援的第39特混编队，1日晨炮击肖特兰岛后避入南方补给点，分两地进行加油。美军南太平洋部队司令哈尔西得知日海上部队从腊包尔出击后，便令第39特混编队北上截击。这两地的美舰于当日21时30分驶抵奥古斯都皇后湾以西海面会合，其兵力编成为3个大队：第12巡洋舰大队(“蒙特培利尔”号、“克利夫兰”号、“哥伦比亚”号、“丹佛”号4艘巡洋舰，由梅里尔海军少将亲自率领)、第45驱逐舰大队(“查·奥斯本”号、“戴生”号、“斯坦利”号、“克拉克斯顿”号4艘驱逐舰，由伯克海军上校率领)和第46驱逐舰大队(“斯彭斯”号、“撒切尔”号、“康渥斯”号、“弗特”号4艘驱逐舰，由奥斯汀海军中校率领)。为使巡洋舰免遭损失，第39特混编队司令梅里尔派出两个驱逐舰大队前出到日舰群的翼侧，抢先实施鱼雷攻击，而巡洋舰大队则以152毫米舰炮的火力与及时改变航向的编队运动相结合，封锁奥古斯都皇后湾的入口，使日舰不能闯入，以至逐渐将其压到较远的海上。
1日午夜，日侦察机报告：在美军登陆地域附近有多艘运输舰船(实际上是美军的布雷舰)，大森便率队直趋奥古斯都皇后湾，并命令各队作好火炮和鱼雷射击的准备。他采用的队形是：第5战队居中，第3驱逐舰战队在其左前方，第10战队在其右前方。
约半小时后，美第39特混编队驶至托罗基纳角附近，旗舰“蒙特培利尔”号的雷达发现了以3路纵队来袭的日舰，距离18海里。梅里尔立即率第12巡洋舰大队南北航行，以封锁奥古斯都皇后湾湾口。伯克则率第45驱逐舰大队按预定方案向左转向，前去攻击日军左翼的舰只。奥斯汀根据梅里尔的命令率第46驱逐舰大队前去攻击日军右翼的舰只。
2日0时46分，伯克大队与日军左翼队(“川内”号、“时雨”号、“五月雨”号和“白露”号)接近到5000米距离时，发射25条鱼雷，而后一齐转向，脱离接触。日军发现美舰发射了鱼雷，大森命令各队向右转舵。这样一来，美舰射出的鱼雷，无一命中目标。梅里尔发现日军开始转向，立即命令几艘巡洋舰开炮。48门152毫米舰炮集中轰击距离较近的日军左翼队。“川内”号等日舰也还击，但受射程限制，多是近弹。而美巡洋舰发射的炮弹频频落在日舰周围，“白露”号因被靠近弹炸伤，舵出故障，与“五月雨”号碰撞，航速分别减至16节和20节；“川内”号离敌最近，首当其冲，受到152毫米舰炮的集中射击。约于0时55分主机熄火，随后舵机失灵，不能航行。
这时，美巡洋舰大队向西南航行，以缩短与日军中央队的距离，准备对其巡洋舰开炮。同时，命令第46驱逐舰大队暂勿实施鱼雷攻击，以免误伤己舰。奥斯汀率队进行机动时，不巧进入己方巡洋舰的发炮射向，使梅里尔不能下令开炮。当第46大队驶离巡洋舰的射向时，其“弗特”号掉队。后者向西追赶队伍时，被“川内”号发射的鱼雷击伤，其舰尾被炸毁。
在此期间，由于美第12大队不断改变航向，巧妙进行机动，使大森难以确定其巡洋舰准确位置。日第5战队为了寻找目标而向左进行360度的旋回。这一行动使其右翼队的“阿贺野”号等舰陷入混乱。于是，大森率“妙高”号和“羽黑”号向南航行，其右翼队在附近跟进。梅里尔通过雷达跟踪目标，其152毫米炮弹在日舰周围连连激起水柱。日右翼队的第3艘舰“初风”号在躲避炮弹时，与“妙高”号相撞，前者的舰首被撞毁。而“羽黑”号被击中6发炮弹，不过其中4发未炸。稍后，日军飞机临空，在美第12巡洋舰大队附近投下红白两色的航空照明弹，恰好有片云层横在空中，对于照明弹起了一种银色反光幕的作用，把4艘巡洋舰照得通明。这对美军发挥其雷达优势非常不利，大森乘机看清了梅里尔的几艘巡洋舰，便指挥其第5战队向东南航进。当与美巡洋舰的距离缩短到1．1万米时，“妙高”号和“羽黑”号一面发射鱼雷，一面以203毫米火炮进行射击。美巡洋舰周围水柱迭起，其第4艘舰“丹佛”号被击中3发炮弹。
梅里尔见势不利，下令施放烟幕进行规避。大森见到在美巡洋舰舷侧出现大水柱(是靠近弹激起的)，以为他们射出的鱼雷命中了目标；接着，这几艘美舰又不见了(隐蔽于烟幕之中)，估计已被击沉。在大森看来，这次海战打得不错，可是处于美岸基航空兵的作战半径之内，必须在天亮之前驶离北所罗门群岛。于是，他命令全部撤出战斗，而未去袭击美军的运输舰船。
为能比较全面地了解这次海战，此处还须把双方驱逐舰的行动作些追述。当美第46驱逐舰大队为了躲开己方巡洋舰的射向而转向西进时，“斯彭斯”号和“撒切尔”号约于2日1时相互碰撞，两舰的上层建筑均受损伤，但仍能以高速航进。10余分钟后，“斯彭斯”号(奥斯汀的旗舰)曾因水线部位中弹而一度减速，但依然向日巡洋舰猛冲。奥斯汀的3舰(缺“弗特”号)从“妙高”号、“羽黑”号左前方接近到5500米距离准备进行鱼雷攻击时，雷达官硬说荧光屏上的亮点是己方军舰，因而没有发射鱼雷。奥斯汀继续北进片刻，发现了“川内”号。这艘失去航行能力的日舰只在原地打转儿，但仍能射击。“斯彭斯”号和“康渥斯”号对其发射8条鱼雷，听到爆炸声两响，但该舰仍未沉没，“五月雨”号和“白露”号原在“川内”号近旁警戒，见美舰驶近，才向西北逃走。“斯彭斯”号、“撒切尔”号和“康渥斯”号3舰一面开炮，一面追赶，追至3000米时发射19条鱼雷，无一命中。两艘日舰同样以鱼雷和火炮还击，也未获得战果。
美第45驱逐舰大队在战斗之初发射鱼雷后，向东撤离。伯克把4艘驱逐舰集合起来之后，又从东面返回战场，首先发现了奄奄一息的日舰“川内”号，对其进行猛烈炮击，终于将其击沉。然后，伯克大队继续向西北搜索，也发现了日驱逐舰“五月雨”号和“白露”号。实际上，这两艘日舰此时处于美第45和第46驱逐舰大队之间；前者从其右侧，后者从其左侧进行追赶。第46大队不仅在第45大队的雷达荧光屏上出现，而且被当成敌人。但当奥斯汀的驱逐舰向目标开炮时，伯克心中犯疑，遂用报话机呼叫第46大队，并喊道：“我队准备对6400米处的舰只开炮!”奥斯汀随即回答：“不要开炮，那是我们。”此后，两个驱逐舰大队的指挥官虽然弄清了相互的位置，可是贻误了战机，使两艘日舰乘机逃走。这两个大队在海上会合后，失去了追击目标，掉头向东南航进时，又在荧光屏上发现一个目标。这是曾被“妙高”号撞伤的日驱逐舰“初风”号，它终被美舰击沉。
第45和第46驱逐舰大队于2日拂晓前奉命停止追击，天亮时与巡洋舰大队会合。梅里尔开始调整部署，准备对付日军飞机的袭击。他命令“克拉克斯顿”号拖带受伤的“弗特”号航进，并指派“奥斯伯恩”号和“撒切尔”号2艘驱逐舰为其护航，自己则率其余舰只先行南撤。
2日晨，1架日侦察机发现了梅里尔编队。未过许久，从腊包尔起飞的18架俯冲轰炸机，在80架零式战斗机的掩护下来袭。日机群从“弗特”号等舰上空飞过而未投弹。在空中担任掩护的美机当时只有16架(“恶妇”式8架、“海盗”式1架、“闪电”式3架、“战鹰”式4架)，防空任务艰巨。但梅里尔编队防空训练有素，已经列成对空防御队形，当日机接近到10海里时各舰一齐转向90度，使所有炮火朝向日机。日轰炸机投下的炸弹只有两颗落在“蒙特培利尔”号的飞机弹射器上，未造成多大损伤，而日机却被击落17架。当幸存的日机重新编队，企图进行第二次攻击时，美所罗门航空队的一群战斗机赶到，又击落日机8架，并将其余的驱走。驻腊包尔的日军航空兵准备再次出击，但因遭到来自新几内亚岛方面的空袭而未能如愿。
击退日机的空袭后，梅里尔将军急切希望尽速返回基地，但于当日11时许又接到哈尔西海军上将关于掩护4艘第二次进入登陆地域卸载的运输舰(见托罗基纳美军登陆)返航的任务。美第39特混编队只好折回北进。好在那些运输舰已在南返途中，梅里尔率队至约定水域与运输舰会合后，掉过头来沿所罗门群岛西海岸继续南进。3日上午，将4艘运输舰移交给前来接应的另几艘美舰后，第39编队便高速南下，直趋普维斯湾(佛罗里达岛)，约于当日16时抵港。而“弗特”号等4舰于4日晨返回基地。日舰“妙高”号、“羽黑”号、“阿贺野”号、“长波”号、“若月”号、“时雨”号离开战场后，在大森率领下北撤，2日9时许回到腊包尔。受伤的“白露”号于同日11时，“五月雨”号于14时进港。日第3驱逐舰战队司令官伊集院海军少将及“川内”号舰长、舰员等共75人于3日下午被“吕－104”号潜艇救起，5日回到腊包尔。
日本人把这次海战称为“布干维尔岛海战”，而美国人则称为“奥古斯都皇后湾海战”。美海军在此战中不像过去那样，把驱逐舰和巡洋舰放在一个战列之中，或将它们保持在巡洋舰炮火射程之内，而是令驱逐舰前出到距巡洋舰较远的地方，使它们具有一定的行动自由，可根据实战情况机断行事。这样，就能较充分地发挥驱逐舰的进攻威力，而不是单纯地把它们当作巡洋舰的“保镖”来使用。梅里尔出色地完成了对托罗基纳角登陆的支援任务，终将来袭的日海上部队击退。这次海战表明，美海军近一时期在研究和改进水面舰艇战术方面所下的功夫没有白费。
日海军在此次海战中沉巡洋舰和驱逐舰各1艘，伤巡洋舰1艘和驱逐舰2艘；美舰虽有3艘受创，但未沉1艘。大森由于指挥不力，损失较大，而又未能打击美方的运输舰船，当即被联合舰队司令长官撤职。