A las 17:10 horas, las patrulleras torpederas de la Armada republicana regresaron al puerto con el pretexto del mal estado de la mar. La realidad era el de una mar rizada. El plan de ataque republicano contra la base de Palma de Mallorca continuó adelante sin las patrulleras soviéticas. El jefe de la Flota, Luis González de Ubieta, mandó a la primera flotilla de destructores tareas de exploración.

  A las 17:30 horas, los cruceros nacionales Baleares, Canarias y Almirante Cervera se unieron a los buques mercantes con material bélico, procedente de Italia, en el sur de Ibiza. El objetivo del convoy era suministrar armamento al bando nacional en los frentes de batalla de España.

  La Flota nacional avistó a la republicana a las 00:45 horas. Los buques de guerra hicieron sonar la alarma. La Armada nacional creía haber descubierto cuatro destructores y un destructor republicanos. Los cruceros Baleares, Canarias y Cervera rodearon el convoy para su protección. El destructor Sánchez Barcaíztegui atacó a la Flota sublevada con torpedos, pero sin éxito. La Flota gubernamental decidió alejarse del escenario de la batalla en dirección hacia Cartagena con rumbo 256 grados. A las 01:25 horas, los buques nacionales retomaron su ruta original hacia el Sur con rumbo 220 grados.

  A las 02:15 horas, las dos Flotas de guerra se reencontraron en el mar a unas 70 millas de Cabo de Palos. El lanzamiento de iluminantes por los nacionales permitió a los republicanos la detección de la posición de sus buques de guerra. Los barcos gubernamentales lanzaron 12 torpedos contra los nacionales. El crucero Baleares (nacional) fue alcanzado por algunos proyectiles. "Uno de los torpedos lanzados por los destructores republicanos abrió boca en la coraza y tocó la cámara de municiones. La explosión fue enorme y los daños tan importantes. Del buque incenciado se ha visto salir una enorme columna de humo que se elevó a mil quinientos metros de altura", destacó el Ministerio de Defensa republicano. El Baleares quedó inundado y escorado a babor. El puente de mando, la proa y la chimenea volaron por los aires antes de hundirse con su tripulación a bordo. Los cruceros sublevados Canarias y Cervera volvieron a su base de Mallorca y la Flota republicana regresó a Cartagena satisfecha del resultado de la batalla.

  Los buques ingleses Kempenfelt y Boreas se acercaron al lugar de la batalla atraídos por el fuego y el humo que desprendía el Baleares. Los destructores británicos iniciaron las tareas de salvamento a las 04:25 horas. Los dos barcos salvaron la vida de alrededor de 400 hombres de la tripulación del Baleares, que fueron trasladados a Gibraltar. La aviación republicana dificultó la operación de rescate mediante el bombardeo de los buques que acudieron en auxilio de los náufragos. El hundimiento del Baleares segó la vida de unas 700 personas. La tragedia del Baleares se llevó al cine en la película ‘El crucero Baleares’ del director Enrique del Campo en 1941.