根据侦察情报，美、英、荷、澳联军指挥部于1942年2月17日已判断出，日军即将进攻巴厘岛，遂令多尔曼海军少将率领舰艇部队出海阻击。可是这些舰只在此之前并不全归多尔曼指挥，其指挥部虽曾计划把舰艇部队集中于泗水港，但考虑到日军向东爪哇方向的进攻发展迅速，则采取了分散停泊的方案。多尔曼接到命令后，将停泊在多处的舰艇分编为3个战术群，前去截击敌人。
第1战术群，以荷兰的2艘巡洋舰、3艘驱逐舰和美国的2艘驱逐舰组成，于2月18日23时30分从芝拉扎起航东进，19日23时30分进至巴厘岛东南水域发现日舰，后向其急驰。
在登陆水域担任警戒的日驱逐舰“朝潮”号发现来袭目标时，盟军舰群已驶入6000米距离以内。盟军的“爪哇”号巡洋舰首先开炮，日“朝潮”号中弹，损伤轻微。日“大潮”号、“朝潮”号立即予以还击。盟军舰只很快消失。数分钟后，日舰发现右舷2000米处有盟军驱逐舰同向航行，立即开炮，效果不明。不久，双方再次相遇，互相炮战。盟军“皮特·海英”号的机舱中弹，失去航行能力。接着，该舰又被日舰发射的鱼雷击中，终于沉没。盟军的其余4舰向龙目海峡撤离战场，驶入泗水基地。
第2战术群，以荷兰的1艘巡洋舰和美国的4艘驱逐舰组成，于2月17日夜从丹戌不碌起航。18日到泗水港，补充燃油后于19日14时出航，4艘驱逐舰在前，鱼贯而行，经由巴厘海峡，进入巴塘东南水域。约于20日2时，在编队左舷发现日舰，4艘驱逐舰即开炮射击，效果不明。日舰立即还击，美舰“斯图尔持”号的舰尾中弹，操舵系统损坏。
接着，在盟军编队右舷也发现日舰，“特罗姆普”号巡洋舰与右舷日舰交火。日驱逐舰“大潮”号的2号炮塔弹药舱中弹；这艘荷兰巡洋舰也被日舰击中多发炮弹，舰桥和指挥塔被炸毁。数十分钟后，两军在龙国海峡再次交锋，日“满潮”号驱逐舰的机舱中弹爆炸，失去海航行能力。盟军的第2战术群遂撤离战场。
第3战术群，以9艘鱼雷艇组成。其中1艘出海后因撞上灯标受损而返回基地。其余8艘分编为甲乙两组，于19日夜从泗水出航。在第2战术群撤出战斗后，甲组从东，乙组从西进入战场搜索敌人，未发现日舰，天明后撤至爪哇南海岸的某一海湾。日军派出“长良”号、“初霜”号、“若叶”号等舰前来支援，它们为受伤军舰护航，并拖带着“满潮”号撤往望加锡。
在这次海战中，直接参战的军舰，盟军有巡洋舰3艘、驱逐舰7艘和鱼艇8艘、日军仅有驱逐舰4艘。盟军虽在兵力上占有很大优势，却未取胜，反而被击沉驱逐舰1艘，被击伤巡洋舰和驱逐舰各1艘。日军被击伤驱逐舰3艘。由于这次海战发生在巴厘岛的巴塘地区附近，被称为“巴塘海战”。