Доорман по радио предупредил командиров кораблей, голландские и американские корабли рассредоточились для самостоятельного маневрирования. Затем японские самолеты оказались над кораблями союзников, и вниз полетели бомбы.
4 отважные «Каталины» американского флота попытались сорвать атаку, но сами были быстро сбиты. Моряки эсминцев бросились к зенитным орудиям, но японцы не обращали внимания на эсминцы. Начался бой, который тянулся всю первую половину дня. Японцы сосредоточились только на крейсерах. Поэтому всю тяжесть боя в проливе Мадура вынесли крейсера «Хьюстон», «Марблхед» и «Де Рейтер». Эсминцы лишь присутствовали при этом.
Оба американских крейсера маневрировали на полном ходу, ведя бешеный зенитный огонь, но все-таки получили серьезные повреждения. В «Хьюстон» попала бомба, которая разрушила кормовую башню, убив около 50 офицеров и матросов и ранив еще 20. Обгоревший и искалеченный крейсер отошел через пролив Бали и взял курс на Чилачап.
«Марблхед» пострадал еще сильнее. Бомба, попавшая в корму, пробила палубу, разрушила рулевую машину и разорвала топливные цистерны. Вторая бомба разворотила кают-компанию и лазарет. Близким разрывом была изрешечена обшивка в носовой части. Охваченный пламенем корабль получил дифферент на нос и крен на левый борт и начал беспомощно циркулировать.
Японцы продолжали атаки до самого полудня. Отчаянные усилия аварийной партии помогли удержать «Марблхед» на плаву. Огонь был взят под контроль, заклиненный руль удалось чуть повернуть. Управляясь машинами, крейсер пошел к проливу Ломбок. Любая новая попытка нанести удар в Макассарском проливе была форменным самоубийством, поэтому адмирал Доорман приказал остаткам ударного соединения отходить. Американские эсминцы и голландский крейсер «Де Рейтер» образовали кольцо охранения вокруг отходящего на юг «Марблхеда» и довели его до Чилачапа.
Разгром эскадры АБДА в проливе Мадура стал зловещим предзнаменованием того, что случилось позднее. «Хьюстон» был тяжело поврежден, а «Марблхед» полностью выведен из строя, поэтому в битве за Малайский барьер союзники оказались прижаты к стене.
Тем временем противник занял город Макассар на Целебесе и продвигался по южной части Борнео. Теперь японцы находились совсем недалеко от Сурабаи., и главную базу АБДА начало припекать. Чилачап на южном побережье Явы также не являлся совсем безопасным убежищем. Оттуда адмирал Харт направил Доормана с усиленным ударным соединением в район Суматры для перехвата японских конвоев с войсками, направляющихся в Палембанг, главный город Суматры.
