La fin du BismarckLe gouvernail bâbord étant bloqué, le Bismarck décrivit un large cercle qui l'éloigna de Brest et le rapprocha de la flottille de Tovey. Même si le manque de combustible avait réduit le nombre de navires disponibles, les Britanniques disposaient encore des cuirassés King George V et Rodney et des croiseurs Dorsetshire et Norfolk. À 21 h 40 le 26 mai, Lütjens rapporta à son état-major : « Navire incontrôlable. Nous combattrons jusqu'au dernier obus. Longue vie au Führer ». Le moral de l'équipage, au plus haut après la destruction du Hood, s'effondra et les messages du quartier général, destinés à encourager les marins, ne firent que souligner la situation désespérée du cuirassé. Alors que la nuit tombait, le Bismarck tira brièvement sur le Sheffield qui s'éloigna rapidement, et dans l'obscurité le commandant Philip Vian perdit de vue le navire allemand. Accompagné de cinq destroyers, il reçut l'ordre de maintenir le contact avec le Bismarck durant la nuit.
La flottille retrouva le Bismarck à 22 h 38 et ce dernier lui tira immédiatement dessus avec son artillerie principale. Tout au long de la nuit et jusqu'à l'aube, les destroyers de Vian harcelèrent le cuirassé allemand avec des fusées éclairantes et des dizaines de torpilles mais aucune ne toucha sa cible. Entre 5 et 6 h, l'équipage allemand tenta de lancer l'un des hydravions Arado Ar 196 afin d'emmener le livre de bord, des images de la bataille avec le Hood et d'autres documents importants. Le troisième obus du Prince of Wales avait cependant endommagé la catapulte et tout lancement était impossible ; l'appareil risquant de prendre feu durant l'affrontement à venir, il fut jeté à la mer.
À l'aube du 27 mai, le King George V accompagné sur bâbord par le Rodney lancèrent leur attaque. Tovey avait l'intention d'avancer directement sur le Bismarck avant de virer au sud à 15 kilomètres de la cible pour progresser parallèlement au navire allemand. À 8 h 43, les vigies du King George V repérèrent le Bismarck à environ 23 000 mètres. Quatre minutes plus tard, le Rodney ouvrit le feu avec ses deux tourelles triples avant de 16 pouces (406 mm), le plus gros calibre en vigueur dans la Royal Navy, et il fut imité par le King George V et ses six canons de 14 pouces (356 mm) quatre minutes plus tard. Le Bismarck répliqua à 8 h 50 avec ses canons avant et dès la seconde salve, il ajusta le Rodney.
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Le Bismarck est à gauche à l'horizon, le Rodney à droite
Alors que les navires se rapprochaient, leurs artilleries secondaires entrèrent en action tandis que le Norfolk et le Dorsetshire commencèrent à utiliser leurs canons de 8 pouces (203 mm). À 9 h 2, un obus de 16 pouces du Rodney pulvérisa la superstructure avant du Bismarck tuant des centaines de marins et endommageant gravement les tourelles avant. Selon les survivants, le tir tua probablement Lindemann, Lütjens et le reste du commandement. Bien qu'atteintes, les tourelles avant tirèrent une dernière salve à 9 h 27 et l'un des obus tomba à quelques mètres de la proue du Rodney, et mit hors service le tube lance-torpilles tribord du cuirassé britannique ; ce fut le meilleur tir des artilleurs allemands durant l'affrontement. Les tourelles arrière tirèrent trois autres salves avant qu'un obus ne détruise le système de télémétrie. Les canons reçurent l'ordre de tirer indépendamment mais à 9 h 31, les quatre tourelles principales avaient été mises hors service.
À 10 h, les deux cuirassés de Tovey avaient tiré plus de 700 obus avec leur artillerie principale. Le Bismarck n'était alors plus qu'une épave en feu avec une gîte de 20° sur bâbord et la poupe presque submergée. Le Rodney s'approcha à seulement 2 700 mètres, soit à bout portant pour des canons de 16 pouces, et continua à tirer. Tovey ne pouvait en effet pas cesser le combat avant que les Allemands n'abaissent leurs couleurs ou commencent à abandonner le navire. Le cuirassé britannique tira deux torpilles depuis son tube bâbord et l'une d'elles toucha sa cible. Selon le journaliste Ludovic Kennedy, « il s'agit de la seule fois au cours de l'histoire où un cuirassé en a torpillé un autre ».
Alors que la bataille tournait en défaveur du cuirassé allemand, le commandant en second, Hans Oels, ordonna aux hommes se trouvant dans les ponts inférieurs d'abandonner le navire ; il demanda également aux mécaniciens machinistes d'ouvrir les portes des compartiments étanches et de préparer les charges de démolition. Le chef machine, Gerhard Junack, amorça les charges avec une mèche de neuf minutes et il entendit les explosions alors qu'il remontait. Courant en long et en large pour ordonner l'abandon du navire, Oels et une centaine de marins furent tués par une explosion sur le pont principal.
Les quatre navires britanniques avaient tiré plus de 2 800 obus de tout calibre sur le Bismarck, dont 400 au but, mais le cuirassé allemand restait à flot. Vers 10 h 20, Tovey, dont la flottille était presque à court de combustible, décida d'en finir et il demanda au Dorsetshire de torpiller le Bismarck tandis que les cuirassés étaient renvoyés au port. Le croiseur tira deux torpilles sur tribord, dont l'une toucha au but, puis se positionna sur bâbord et lança une troisième torpille qui percuta également le cuirassé. Au moment de ces attaques, le navire gîtait tellement qu'une partie du pont était submergé ; il est ainsi possible que la dernière torpille ait explosé sur la superstructure bâbord du Bismarck qui était déjà sous l'eau. Vers 10 h 35, le navire chavira et coula par la poupe avant de disparaître cinq minutes plus tard. Certains survivants rapportèrent avoir vu Lindemann au garde à vous alors que son vaisseau sombrait. Junack, qui avait abandonné le navire avant son chavirage, ne vit aucun dégât sous la ligne de flottaison du côté tribord. Le lieutenant de vaisseau Von Müllenheim-Rechberg, adjoint en quatrième du service artillerie, nota la même chose, mais supposa que le flanc bâbord, déjà submergé, était bien plus endommagé.
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Les survivants du Bismarck recueillis par le croiseur lourd Dorsetshire
Environ 400 marins étaient naufragés et ils furent secourus par le Dorsetshire et le destroyer Maori qui les hissèrent à bord avec des cordes. À 11 h 40, des vigies du Dorsetshire repérèrent ce qui semblait être un sous-marin et le commandant ordonna l'arrêt des opérations de secours. Ayant recueilli respectivement 85 et 25 hommes, le Dorsetshire et le Maori quittèrent les lieux. Quelques heures plus tard, le sous-marin U-74 et le navire météorologique Sachsenwald récupérèrent respectivement trois survivants et deux survivants supplémentaires, dans deux radeaux (Herzog, Höntzsch, et Manthey dans le premier ; Lorenzen et Maus dans le second). L'un des marins secourus par les Britanniques succomba à ses blessures le lendemain ; finalement, il n'y eut que 114 survivants sur un équipage de plus de 2 200 hommes.
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Le Prinz Eugen qui est passé au travers des mailles du filet arrive à Brest le 1er juin 1941; il ne rentrera en Allemagne qu'en février 1942 lors de l'opération Cerberus, mais c'est une autre histoire.