1942年11月13-15日的瓜达尔卡纳尔海战（日方称“第三次所罗门海战”）是瓜岛战役期间美日两军爆发的六次大规模海战（萨沃岛、东所罗门群岛、埃斯帕恩斯角、圣克鲁斯群岛、瓜达尔卡纳尔、塔萨法隆格）中的第五场，也是最具有决定性意义的一场，经此一战彻底粉碎了日军重夺瓜岛的企图，奠定了美军在瓜岛的胜局。
1942年10月26日圣克鲁斯群岛海战后美日两军的航母部队均遭沉重打击，大多无力继续作战（美军仅剩企业号航母带伤勉强能够上阵，日军仅剩隼鹰号航母留在前线但飞行队已破败不堪）。日军认为夺取瓜岛的时机已到，准备在11月上旬运送第38师团1万余人和大量辎重补给上岛，11月下旬发起新一轮总攻、彻底解决瓜岛问题。但因美军牢牢控制着瓜岛亨德森机场，日舰在白天根本无法接近瓜岛水域，夜间的“东京快车”由于驱逐舰运力有限不能满足大部队上岛的需要，因此联合舰队计划派出战列舰趁夜炮击瓜岛机场，趁亨德森机场瘫痪之际由运输船（大型运输船速度慢，无法在一夜之内完成卸载后立即逃出美军制空圈，必然有一段白天时间要暴露在瓜岛附近水域，因此必须首先打垮机场）进抵瓜岛卸载人员物资。相应地，美军在破译日军情报后则不惜一切代价保护机场不受日军攻击，同时也要掩护己方的增援部队上岛，从而爆发了11月12-15日的瓜岛海战。
一、12-13日夜，第一次夜战（瓜岛以北海战）
11月12日，美军增援船团抵达瓜岛卸下6000多名援兵和大量补给，日军以战列舰“比睿”和“雾岛”为核心的“挺身攻击队”也在阿部弘毅指挥下于当天沿所罗门群岛的“槽海”南下，准备对亨德森机场实施炮击。美侦察机发现日舰队后，编队指挥官特纳决定运输船立即撤离、留下巡洋舰驱逐舰对抗日军。13日凌晨，在黑夜中突然遭遇的美日两军在瓜岛以北海域（也即著名的“铁底湾”）爆发混战，在这场“海上拼刺刀”般的空前惨烈的血战中美军损失惨重——4艘驱逐舰、2艘防空巡洋舰沉没，2艘重巡洋舰、2艘驱逐舰大破，包括卡拉汉和斯科特两位少将指挥官在内1400多名官兵战死。日军的损失相对较小——2艘驱逐舰沉没，1艘驱逐舰大破，但旗舰比睿号受重创瘫痪，在再打下去极有可能全歼残余美舰的有利局势下，被吓破胆的阿部却放弃了炮击计划、选择掉头撤退，美军最终以巨大的牺牲保住了亨德森机场。
二、13日白天，企业号航母、瓜岛仙人掌航空队空袭比睿号
13日天亮后，美军将夜战中受重创的己方舰船逐一拖回图拉吉港修理，日舰则重返战场试图抢救己方旗舰比睿号战列舰。然而令日军意想不到的是，预见到瓜岛可能出现危机，美军早已将勉强恢复到作战状态的企业号航母隐蔽部署于瓜岛以南海域待机。13日天亮后，企业号舰载机、瓜岛仙人掌航空队即开始对比睿号发动连续空袭，尽管日军航空兵拼死掩护，比睿号最终还是无力回天，当日下午被迫自沉，成为日本在太平洋战争中损失的第一艘战列舰（以及美军在太平洋战争中击沉的第一艘日本战列舰）。
三、13-14日夜，外南洋部队炮击亨德森机场
得知挺身攻击队任务失败后，山本指示萨沃岛海战的胜利者三川军一的外南洋部队继续执行炮击亨德森机场任务，增援部队暂缓一天行动、待解决亨德森机场后再出发。三川编队选择了与众不同的先往东直行再掉头南下的路线，从而规避了美军空中侦察，14日夜成功突入铁底湾。由重巡洋舰“摩耶”和“铃谷”对亨德森机场进行了一个小时的猛烈炮击，发射近千枚8英寸炮弹，随后胜利返航。
然而三川的这次炮击实则效果不大——美国海军陆战队工程营夜以继日奋力抢修，至14日白天奇迹般地基本恢复了机场的起降能力（当然这也与重巡洋舰的203mm舰炮威力有限、以及日军用于炮击的三式烧霰弹其实并不适合轰炸土质机场跑道有关）。
四、14日白天，企业号航母、瓜岛仙人掌航空队空袭外南洋部队和运输船团
误以为三川已摧毁亨德森机场，山本命令由满载第38师团兵员物资的11艘大型运输船组成的增援群启航驶向瓜岛。然而14日天亮后，亨德森机场就逐步恢复了航空能力，日军大祸临头了——14日上午，仙人掌航空队追击空袭北撤中的外南洋部队，击沉1艘重巡洋舰，另有多艘日舰受创，从而报了昨夜的一箭之仇，三川部队狼狈逃回布因基地。
14日午后开始，企业号舰载机、仙人掌航空队以及圣埃斯皮里图岛远程轰炸机联手对日军增援船团进行猛烈空袭，击沉11艘运输船中的7艘，日军负责空中掩护的少量零式战斗机完全无能为力，第38师团还未登岛就损失惨重，所罗门群岛间的“槽海”血水滔天、惨不忍睹。尽管如此，山本仍然严令负责增援群指挥官田中赖三不惜代价继续驶向瓜岛。
五、14-15日夜，第二次夜战
鉴于三川的炮击没有奏效，联合舰队又派出以雾岛号战列舰为核心的炮击编队第三次准备进行炮击。发现日军出动战列舰后，哈尔西不得不孤注一掷，派出没能赶上13日夜战的华盛顿号和南达科他号2艘快速战列舰全速北上拦截日军。14-15日夜，双方再度于铁底湾爆发激战，美军损失3艘驱逐舰另南达科他号受损，但华盛顿号成功击沉了雾岛号战列舰另1艘日本驱逐舰，成为自美西战争以来第一艘击沉了敌方战列舰的美国战列舰。华盛顿号几乎是只身击退了其余日舰的围攻，迫使日军撤退，使日军炮击瓜岛机场的努力最终落空。
六、15日白天，最后粉碎日军增援
15日夜，日军最后4艘运输船强行在瓜岛西北海岸抢滩，田中深知大势已去，率护航的驱逐舰立即返航以规避空袭。果然，15日天亮后，亨德森机场出动飞机将这4艘搁浅运输船以及连夜卸载到滩头的物资彻底击毁，最终第38师团付出惨重代价，仅有约2000人和极少量物资得以上岛，完全无助于瓜岛战局，日军的增援计划至此彻底失败。历时三天的空前惨烈的瓜岛海战以美军的最终胜利告终。
瓜岛海战结束后，日军由于人力物力的巨大损失，士气一蹶不振，联合舰队也丧失了在瓜岛与美军决战的信心，山本决定不再派出主力舰支援瓜岛，仅以驱逐舰和潜艇为岛上日军运送补给，导致瓜岛日军日益陷于饥饿。而美军经此一战完全掌握了局势，在瓜岛的最终胜利只是时间问题了。