1月27日，增援船队从努美阿启航。为保证船队的绝对安全，哈尔西派出了多达五支护航力量，航空母舰“企业”号、“萨拉托加”号，战列舰“北卡罗来纳”号、“华盛顿”和“印第安纳”号悉数出战。负责近距离护航的是罗伯特格里芬少将的第十八特混编队，下辖重巡洋舰“威奇塔”、“芝加哥”和“路易斯维尔”号，轻巡洋舰“蒙彼利埃”、“克利夫兰”、“哥伦比亚”号以及6艘驱逐舰。
29日9时37分，在伦内尔岛以南210公里海域，鬼冢光南少尉的一式陆攻机发现了美第十八特混舰队，并迅速发回了接敌报告：“发现敌4艘战列舰、3艘巡洋舰和超过10艘驱逐舰，南纬11度37分、东经162度35分，方向224度，速度18节。”接到报告，日第二十六航空战队立即出动七〇五航空队的16架一式陆攻机（其中1架中途返航）和七〇一航空队的16架九六式陆攻机前往攻击。
格里芬少将刚从大西洋转到南太平洋，对邓尼茨的狼群战术心有余悸。他将舰队摆出了一个反潜航行队形：3艘重巡洋舰在右、3艘轻巡洋舰在左形成双纵队，6艘驱逐舰在前摆成一个半圈。这种队形防御潜艇效果极佳，但不太适合防御空袭。傍晚时分，当美舰雷达发现110公里外出现日军机群后，格里芬既未改变队形也未做出任何防空准备。18时50分，中村友男大尉率领第一攻击队向美舰发起了攻击。低空飞行的日机从舰队无保护的船尾方向飞向重巡洋舰队列右舷发起进攻，但近距离发射的鱼雷全部落空。美军防空炮火击落日机1架、击伤3架。
19时33分，日第二攻击队发起了更为凌厉的攻势。出发之前，飞行队长桧贝襄治少佐发下毒誓，若不击沉一艘敌舰绝不生还。他的鱼雷从“芝加哥”号舰首掠过，飞机受伤的桧贝毅然驾机朝美舰撞去。“芝加哥”号舰长拉尔夫戴维斯上校紧急规避，日机在“沃勒”号驱逐舰舰尾处爆炸坠海。一架日机投雷后被美军炮火击落，飞行员村上胜夫一等飞曹顽强控制飞机在“芝加哥”号前方落水，熊熊燃烧的火光照亮了舰体，其余日机趁机从不同方向发射鱼雷。两条鱼雷准确命中目标，剧烈爆炸导致“芝加哥”号机舱进水，主机停车。后边的“路易斯维尔”号紧急避让才未撞上友舰。“芝加哥”号的爱德华贾曼中尉说，“几乎所有敌机都朝我们飞过来，这太糟糕了，显然日本鬼子把我们误认为一艘战列舰。”
日军以损失3架飞机、阵亡14人的代价重创“芝加哥”号。随后格里芬率舰队转往东向，同时降低航速以减少航行中的白色尾迹，同时严令禁止射击。失去目标的日机打开航行灯同时发射曳光弹企图引诱美舰开火，但美舰不为所动一炮不发。黑暗中找不到攻击目标的日机只好悻悻返航。
次日，格里芬率4艘巡洋舰向埃法特返航，查尔斯乔伊上校的“路易斯维尔”号则拖曳“芝加哥”号在6艘驱逐舰的护航下以4节航速驶往圣埃斯皮里图。哈尔西电令航母舰队实施增援，谢尔曼少将下令“企业”号派出10架“野猫”前来为“芝加哥”号提供空中掩护。当天下午，日第七五一航空队队长西冈一夫少佐的11架鱼雷机前往攻击“企业”号，为“芝加哥”号护航的“野猫”有6架被调去实施拦截，并成功击落日机3架。但其余日机摆脱拦截，转而向海面上缓缓移动的“芝加哥”号发起猛攻。16时24分，航速极慢的“芝加哥”号因无法实施有效机动接连被4条鱼雷命中，16时43分倾覆，舰上1130名官兵被救起1069人。此外驱逐舰“拉瓦利特”号也被击伤，阵亡水兵22人。日军在攻击中损失飞机4架，最终仅4架侥幸返航。
在6艘驱逐舰和10架战斗机的保护下，“芝加哥”号竟然被敌人击沉，尼米兹对此感到痛心和不可理解。他认为损失是守备人员严重失职造成的。一向儒雅的司令官大发雷霆之怒。在第二天早上的会议上他几乎爆了粗口，“我活到现在，从来没说过这样的话。要是有人胆敢泄露‘芝加哥’号被击沉的消息，我就枪毙他！”很快他就因疟疾住进了埃伊亚医院。
1943年2月2日，“芝加哥”号从海军除籍。同年3月3日，芝加哥市发起了长达40天的募捐活动，出售4000万美元战争债券用于重建一艘新的“芝加哥”号。新的巴尔的摩级“芝加哥”号（舷号CA-136）于1944年8月20日建成下水。
由于日军集中攻击格里芬舰队，特纳运输船队顺利抵达隆加角卸载，不过此时增援已没多大实际意义了。本次战斗后来被称作“伦内尔岛海空战”。日军2月1日公布的战报宣称：击沉敌战列舰2艘、重巡洋舰2艘，重创敌战列舰和重巡洋舰各1艘。实际美军只损失1艘重巡洋舰，1艘驱逐舰受伤。
为报复“芝加哥”号被日军击沉，31日，美仙人掌航空队和圣艾斯皮里图的陆基航空兵倾巢出动，对拉包尔发起了不间断的连续空袭。由于缺乏预警，日军损失各型战机逾50架。基地航空部队的巨大损失使很多人开始怀疑“开号作战”的可行性，但是山本力排众议，断然下令所有撤退行动按原计划进行。
2月1日上午9时30分，第三水雷战队司令官桥本少将率20艘驱逐舰组成的首次运输队悄然驶出肖特兰。其中“文月”、“白雪”、“江风”、“亲潮”、“舞风”、“卷波”、“皋月”、“长月”8舰负责放风，“风云”、“卷云”、“夕云”、“秋云”、“浦风”、“矶风”、“浜风”、“谷风”、“时津风”、“雪风”、“大潮”、“荒潮”12舰负责拉人。13时，沿槽海高速南下的日军舰队被美军1架B-17发现，自认为日军在大举增援的美军立即从亨德森机场起飞了17架轰炸机、7架鱼雷机和17架战斗机前往阻击。18时20分，美军机群在科隆班加拉以北海域向日舰队发起攻击，驱逐舰出色的规避使美军投下的丨炸丨弹和鱼雷全部落空。随后赶来的18架零战奋力死战将美军击退，击落美机4架。日军仅桥本旗舰“卷波”号被一颗近失弹炸伤，失去动力，在“文月”号拖曳下返航肖特兰。其余18艘驱逐舰继续高速向瓜岛挺近。
晚20时，日军舰队抵达瓜岛北部海域，遂一分为二分别驶向埃斯佩兰斯角和加明博角。驻图拉吉美军第三鱼雷艇队闻讯奋勇出击。22时45分，在萨沃岛西南4公里处巡逻的2艘鱼雷艇发现了日军舰队队，但发射的8条鱼雷全部落空，反遭日军袭击一伤一搁浅。继续前行的日军舰队在埃斯佩兰斯角北部再遭美军3艘鱼雷艇阻击，“江风”号迅速出列将其中2艘击伤，另一艘狼狈逃出战场。经一夜激战，美4艘鱼雷艇被击沉，第三鱼雷艇中队损失惨重，战斗力丧失几乎一半。“卷云”号在规避鱼雷时不慎触雷失去动力，因伤势太重由“夕云”号补射鱼雷自沉。
在“江风”号和“风云”号掩护下，佐野第三十八师团主力乘大发、折叠舟向驱逐舰靠近并迅速登舰。2日凌晨2时，日军驱逐舰高速撤离。在加明博角，伊东部仅用90分钟就全部登舰撤出。虽然第二天上午仙人掌航空队进行了追击，但投下的丨炸丨弹无一命中。中午12时，日驱逐舰安全抵达布干维尔，卸下陆军5164人、海军250人，总计5414名兵员。至此，日军第一次运输活动顺利完成。
就在佐野师团顺利撤出的同时，负责断后的矢野大队及第一海岸警备队仍在博内吉河一线顽强阻击美军的追击。1月25日，帕奇下达了第二号野战命令，下令陆战二师和第二十五师全力向西追击。27日6时30分，美军再次发起猛攻，日军抵抗极其微弱。但谨慎的美军向前推进少许就再次停下脚步。前线的畏畏缩缩让帕奇火冒三丈，严令各部加快追击。沿海岸追击的第一四七团一营在博内吉河口遭到了矢野大队的反击，被迫停止进攻撤回东岸。在内陆推进的三营也遭到第一海岸警备队的顽强阻击，于博内吉河东岸1公里处停下了脚步。
2月2日，矢野大队和第一海岸警备队主动撤出博内吉河一线，一营终于顺利渡河。下午17时10分，美军两个营在塔萨法隆加河南岸1000米处顺利会师。帕奇对前线的推进速度极为不满，下令第一六一步兵团换下第一四七团继续追击。渡河美军于2月3日5时停止追击，沿塔萨法隆加河一线修整等待换防。
在历时4天的博内吉河战斗中，胆小怯懦的第一四七团仅阵亡2人、伤67人，可见其攻击力度之弱几乎到了遇敌不前的地步。而阻击的矢野大队伤亡惨重，仅第三机枪中队就阵亡30人，战斗力减弱三分之一以上。但他们出色完成了阻击任务，为第三十八师团成功撤离及第二师团向预定地点集结争取了宝贵的时间。在瓜岛收官战中，美军的表现只能用“窝囊”来形容（这时连好脾气的老酒都生气了）。
帕奇在瓜岛的表现只能算是平庸。战役结束之后，作为最终胜利者的帕奇很快被马歇尔调回国内，不但未能晋升中将，反而被安排了一个训练部队的闲职。即使这样，嘴不把门的帕奇还在美军击毙山本后捅出了一个大漏子，差点儿被送上军事法庭。后文详叙。