根據偵察情報，美、英、荷、澳聯軍指揮部於1942年2月17日已判斷出，日軍即將進攻巴厘島，遂令多爾曼海軍少將率領艦艇部隊出海阻擊。可是這些艦隻在此之前並不全歸多爾曼指揮，其指揮部雖曾計劃把艦艇部隊集中於泗水港，但考慮到日軍向東爪哇方向的進攻發展迅速，則采取了分散停泊的方案。多爾曼接到命令後，將停泊在多處的艦艇分編為3個戰術群，前去截擊敵人。
第1戰術群，以荷蘭的2艘巡洋艦、3艘驅逐艦和美國的2艘驅逐艦組成，於2月18日23時30分從芝拉紮起航東進，19日23時30分進至巴厘島東南水域發現日艦，後向其急馳。
在登陸水域擔任警戒的日驅逐艦“朝潮”號發現來襲目標時，盟軍艦群已駛入6000米距離以內。盟軍的“爪哇”號巡洋艦首先開炮，日“朝潮”號中彈，損傷輕微。日“大潮”號、“朝潮”號立即予以還擊。盟軍艦隻很快消失。數分鍾後，日艦發現右舷2000米處有盟軍驅逐艦同向航行，立即開炮，效果不明。不久，雙方再次相遇，互相炮戰。盟軍“皮特?海英”號的機艙中彈，失去航行能力。接著，該艦又被日艦發射的魚雷擊中，終於沉沒。盟軍的其餘4艦向龍目海峽撤離戰場，駛入泗水基地。
第2戰術群，以荷蘭的1艘巡洋艦和美國的4艘驅逐艦組成，於2月17日夜從丹戌不碌起航。18日到泗水港，補充燃油後於19日14時出航，4艘驅逐艦在前，魚貫而行，經由巴厘海峽，進入巴塘東南水域。約於20日2時，在編隊左舷發現日艦，4艘驅逐艦即開炮射擊，效果不明。日艦立即還擊，美艦“斯圖爾持”號的艦尾中彈，操舵係統損壞。
接著，在盟軍編隊右舷也發現日艦，“特羅姆普”號巡洋艦與右舷日艦交火。日驅逐艦“大潮”號的2號炮塔彈藥艙中彈；這艘荷蘭巡洋艦也被日艦擊中多發炮彈，艦橋和指揮塔被炸毀。數十分鍾後，兩軍在龍國海峽再次交鋒，日“滿潮”號驅逐艦的機艙中彈爆炸，失去海航行能力。盟軍的第2戰術群遂撤離戰場。
第3戰術群，以9艘魚雷艇組成。其中1艘出海後因撞上燈標受損而返回基地。其餘8艘分編為甲乙兩組，於19日夜從泗水出航。在第2戰術群撤出戰鬥後，甲組從東，乙組從西進入戰場搜索敵人，未發現日艦，天明後撤至爪哇南海岸的某一海灣。日軍派出“長良”號、“初霜”號、“若葉”號等艦前來支援，它們為受傷軍艦護航，並拖帶著“滿潮”號撤往望加錫。
在這次海戰中，直接參戰的軍艦，盟軍有巡洋艦3艘、驅逐艦7艘和魚艇8艘、日軍僅有驅逐艦4艘。盟軍雖在兵力上占有很大優勢，卻未取勝，反而被擊沉驅逐艦1艘，被擊傷巡洋艦和驅逐艦各1艘。日軍被擊傷驅逐艦3艘。由於這次海戰發生在巴厘島的巴塘地區附近，被稱為“巴塘海戰”。