1943年1月初，日军发现一支由70艘船组成的庞大船队从旧金山出发，向阿留申方向移动，初步判断运载兵力在两个步兵师以上。大本营这才重新审视阿图岛和基斯卡岛的防御问题。经一系列权衡和博弈之后，东京于1943年2月5日下达了北太平洋作战指导纲要：坚决确保西部阿留申群岛；海军以航空和海上兵力切断敌军补给和增援，扰乱敌后方，摧毁敌人的进攻企图；以阿图和基斯卡为核心构建基地群，以北海守备队确保之，所需兵力和资材需尽快补送；在两岛设置陆上和水上飞机基地；同时加强千岛群岛防御，确立对西部阿留申的联络线。
负责北方防务的海军部队是细萱戊子郎中将的第五舰队。当初夺取两岛看似风光，现在管起来可就没那么好的心情了。据细萱判断，日军对阿留申群岛的海上补给线很快将被切断。3月10日，细萱派出舰队全力护航由水上飞机母舰“君川丸”号，运输船“栗田丸”、“崎户丸”号组成的运输船队对两岛实施补给，船队一路平安无事，在卸载物资后安全返回幌筵岛。
鉴于风声越来越紧，3月19日，细萱再次率第五舰队倾巢而出，护送由“浅香丸”号、“崎户丸”号、“三兴丸”号组成的运输船队向阿图输送人员、补给，阿图岛守备队司令官山崎保代大佐随队前往。细萱将舰船分为两路：3艘运输船与“阿武隈”号轻巡洋舰、“雷”号、“电”号、“薄云”号驱逐舰组成运输舰队；细萱亲率重巡洋舰“那智”号、“摩耶”号，轻巡洋舰“多摩”号、“阿武偎”号，驱逐舰“若叶”号、“初霜”号组成护航舰队。两队分别于3月21日和22日从幌筵出发，计划24日到达阿图岛。
通过截获破译日军电讯，美军得知近期日军的一支运输船队将前往阿图岛进行补给。金凯德立即命麦克莫里斯少将率重巡洋舰“盐湖城”号、轻巡洋舰“里士满”号及驱逐舰“贝利”、“科格伦”、“戴尔”和“莫纳汉”号紧急驶出荷兰港，前往阿图岛以西海域实施拦截。一场发生在北极圈内的战斗—科曼多尔群岛海战就此拉开帷幕。
3月26日拂晓时分，美军舰队行驶至阿图岛以西290公里科曼多尔群岛附近，此时日军舰队位于群岛西北32公里处。细萱旗舰“那智”号驶在最前，最尾处拉开一段距离的是“三兴丸”号运输船和“电”号驱逐舰。
“警报！左舷发现敌舰！”驱逐舰“雷”号的瞭望哨率先发出了接敌信号。对此细萱并未在意，他认为瞭望哨发现的可能是队尾的“三兴丸”号和“电”号。但到7时30分，旗舰暸望哨发现远方驶来的船只远不止2艘，很快就辨认出是2艘巡洋舰和4艘驱逐舰，那无疑是美国人的舰队。
“警报！左舷发现敌舰！各舰准备投入战斗！”日军护航舰队立即进入战斗准备。细萱判断美军实力不如自己，重点是保护好毫无战力且速度极慢的运输船，于是命令运输船在1艘驱逐舰的护卫下向西北暂避，自己亲率巡洋舰和驱逐舰各4艘右满舵向东绕到美舰背后，企图切断敌军退路聚而歼之。
7时30分，美军旗舰和先导驱逐舰的雷达同样发现了不明国籍的舰只，麦克莫里斯判断那正是自己苦苦寻觅的敌军运输船队。他显然低估了对手的实力，认为可以轻松获胜，于是下令快速追击。北极圈特有的极昼现象使得海上能见度极高，气温大约在零度左右，十分适宜进行海战。随着距离不断拉近，麦克莫里斯很快认出了日军轻巡洋舰“阿武隈”号，随后隐约出现的2艘重巡洋舰着实令他大吃一惊。他立即意识到这次遇上的不是“肥肉”，弄不好自己反倒可能成为对方的“肥肉”。
8时40分，日舰“那智”号、“摩耶”号在18000米距离上率先向“盐湖城”号开火，2分钟后“盐湖城”号开炮还击。“那智”号在炮战间隙射出8条鱼雷，因美舰转向西行无一中的。随着距离不断拉近，双方众多轻巡洋舰和驱逐舰纷纷开火。这种传统意义上的水面炮战无疑是谁的炮多、炮粗谁就厉害。日军20门203毫米主炮对美军10门同口径炮形成了绝对优势，对轰中美舰渐处下风。所幸雷达可以帮助美舰取得较高的命中率，局面暂时还能维持。
麦克莫里斯深知实力不如对手，屡次变换航向试图拉开距离。细萱却认为美舰此举是试图去袭击运输船。为了缠住对手，他也不停跟着转向，穷追不舍—前来狩猎的美军瞬间变成了被捕猎者。原本以日舰的高速是能追上“盐湖城”号，但美军驱逐舰频频发射的鱼雷使日舰无法全速前进，只能跟在美舰后方以Z字航线进行缠斗，舷侧火炮的威力无法发挥。
8时50分，“盐湖城”号一发203毫米穿甲弹击中了“那智”号后部舰桥，当场导致11死21伤。对这一炮的效果，“盐湖城”号舰长罗杰斯上校后来回忆说：“我相信在舰桥上的敌军指挥官非死即伤，因为从此刻起，日军舰队便失去了灵敏的指挥。以敌舰速度之快、火力之强，他们是不难把我们消灭的。假如双方实力作一调换，那么日军舰队在我手里一定是逃不掉的。”随后另两颗炮弹命中“那智”号主桅和飞行甲板下方鱼雷舱，导致运送炮弹的水兵2死5伤。为防止受损发电机起火，损管人员无奈切断了全舰供电系统，日军旗舰暂时退出了战斗。
其余日舰依然奋力进行拦截。“摩耶”号的射击精度明显高于姊妹舰，“盐湖城”号四周瞬间水柱林立。9时10分，日舰一发炮弹命中“盐湖城”号中部水上飞机弹射器，两名飞行员当场阵亡。
9时30分，恢复电力的“那智”号再次加入战团，日军所有炮火对准了“盐湖城”号猛射。一发炮弹摧毁了美舰的尾舵，经紧急抢修的“盐湖城”号仅能勉强左右转动10度，再也无法进行有效规避。8分钟后，又一发203毫米炮弹命中“盐湖城”号主甲板从舰首水线以下穿出，导致燃油泄漏航速大减，操纵困难。眼见战况对己不利，11时整，麦克莫里斯下令撤退。但“盐湖城”号舰尾轮机舱接连又挨了两发炮弹，造成舰体大量进水，舰体向舰尾纵向倾斜5度，虽然仍可挣扎着向前航行，但航速已锐减到不足20节，落在了整支舰队的尾部。
见势不妙，麦克莫里斯急令驱逐舰向追兵发射鱼雷，阻止其向“盐湖城”号靠近。毕竟是参加过多次战斗的老舰了，轮机人员很快使“盐湖城”号恢复了航速，鱼雷攻击命令随即被撤销。细萱看到敌驱逐舰摆出一幅发射鱼雷的架势，立即下令日舰提前规避，从而影响了追击速度。由于双方始终在高速移动之中，期间日舰射出的43条鱼雷悉数落空。
但是新危机很快就出现了。11时50分，为将后倾舰体恢复平衡，“盐湖城”号损管人员向舰体前部注水，不想误导致主锅炉舱进水，舰只瞬间动力全失。“盐湖城”号停在距敌17000米的海面上一动不动，成了日舰练习射击的活靶子。
眼见旗舰处境险恶，“莫纳汉”号、“科格伦”号和“贝利”号迅速前出至“盐湖城”号前方，一边释放烟雾，一边向日舰拼命开火。“里士满”号靠上前去准备转移旗舰上的水兵。罗杰斯上校拒绝离舰，继续指挥维修人员奋力排水。12时整奇迹出现，巡洋舰主锅炉恢复工作，“盐湖城”号勉强维持8节航速缓缓撤出战场。
为给旗舰撤退争取时间，美军几艘驱逐舰以127毫米炮顽强抗击日军重巡洋舰。“贝利”号右舷中部被一发203毫米炮弹命中，5名水兵当场阵亡。2分钟后，又有两发203毫米炮弹接连击中该舰后部锅炉舱和轮机舱。在奋力射出5条鱼雷后，重伤的“贝利”号与另两艘驱逐舰调头回撤。如蜗牛般爬行的“盐湖城”号也没忘记向日舰开火。脾气暴躁的麦克莫里斯甚至给手枪上了膛，准备与追击的日舰展开决斗—此举更多是出于义愤。