Ранним утром 12 октября германские корабли заняли позиции севернее острова Эзель и открыли огонь по двум батареям, прикрывавшим бухту Тага-Лахт, наиболее удобную для высадки десанта. Любопытно, что благодаря радиоперехватам в русских штабах знали о точке высадки, но никаких действий по усилению гарнизона предпринимать не стали. Как стоял тут один батальон 426-го пехотного Повенецкого полка при 12 пулеметах «максим», так один и остался. А на 8 орудий Кане (152 мм) пришлось 80 пушек 7 германских линкоров. 

Первый бой продлился всего 10 минут. Третьим залпом 45-я батарея прямым попаданием накрыла линейный крейсер «Мольтке», на котором держал флаг адмирал Шмидт. При подходе к позициям подорвались на минах и получили повреждения линкоры «Байерн» и «Гроссер Курфюрст». Однако досталось и батарее № 45. Снаряд угодил в пороховой погреб и вызвал мощный взрыв. Погибло около 200 матросов артиллерийской прислуги. Через считанные минуты огонь батарей был подавлен, и на берег высадились германские части. Защитники бухты сдались без сопротивления. Началось движение германских пехотинцев и мотоциклистов вглубь острова Эзель, то есть в тыл других подразделений гарнизона, разбросанных по побережью.

Главной целью немцев на этот момент стала батарея № 43 (305 мм). Два из четырех ее орудий вели перестрелку с кораблями Шмидта. Судя по всему, связь с батареей была крайне ненадежна. В отчете командующего морскими силами Рижского залива вице-адмирала Михаила Бахирева видно, что связь то появлялась, то исчезала. Для адмирала стало откровением, что вечером 14 октября батарея Цереля все еще ведет бой. Всю ночь 43-я просила помощи, а в середине следующего дня стало известно, что прислуга разбежалась и батарея сдана. До последнего момента при орудиях оставалось до 20 человек вместе с командиром батареи старшим лейтенантом Николаем Бартеневым, которые пытались взорвать орудия. Однако сделать это не удалось, вся подрывная команда попала в плен, из которого вернулась только в 1919 году. 

В это время разгоралось морское сражение. После гибели батареи № 43 стало ясно, что вход в Рижский залив через Ирбенский пролив защитить уже не удастся. Оставалось биться на севере – в Моонзунде и на Кассарском плесе, отделявшем острова Эзель, Даго и Моон друг от друга. С каждым днем увеличивалось число поврежденных или затонувших кораблей. Так, 13 октября стало ясно, что повреждения линкора «Баерн» куда серьезнее, чем показалось сначала, и он, хлебнувший 1000 тонн забортной воды, малой скоростью отправился в сторону домашних верфей. 14 октября у германцев вышли из строя аж шесть эсминцев. С нашей стороны был безвозвратно потерян эсминец «Гром». Он затонул после того, как в машинное отделение угодил снаряд с линкора «Кайзер». Получили повреждения эсминцы «Забияка», «Константин» и «Победитель». 15 октября взрывом мины разворотило нос немецкого эсминца В-98. 16 октября два вражеских эсминца получили «подарки» от нашего броненосца «Слава». 

Высшей точки морской бой в Рижском заливе достиг 17 октября. К утру этого дня немецкие тральщики очистили фарватер от мин, и тяжелые корабли кайзеровского флота смогли приблизиться к проливу Моонзунд с юга. В одиннадцатом часу началась драка тяжеловесов. Два русских броненосца сошлись с двумя германскими линкорами. Наши канониры стреляли неплохо, отгоняя корабли противника, но ближе к полудню на «Славе» отказала носовая башня главного калибра. В отчете адмирал Бахирев все вину возложил на завод, ремонтировавший броненосец в 1916 году. Как бы ни было, но против 20 германских 305-мм стволов у нас осталось 6. В бою против линкоров помощь подошедших крейсера «Баян» и двух эсминцев существенной быть не могла. После полудня монстры сошлись на расстоянии 9 миль (14,5 км). В 12.25 «Слава» получила три попадания и все – ниже ватерлинии. Броненосец набрал воды, осадка увеличилась на полтора метра. Корабль накрыли еще четыре тяжелых снаряда. Стало ясно, что вернуться в Финский залив через Моонзунд он уже не сможет. Были попадания и в другие русские корабли. В броненосец «Гражданин» (бывший «Цесаревич») угодили дважды. Один раз – в «Баян». Два 305-мм русских снаряда накрыли один из германских линкоров, правда, особых повреждений не нанесли. Стало очевидно, что продолжение неравного боя приведет к потерям людей и кораблей. Адмирал Бахирев приказал отходить на север. Но предварительно затопить в Моонзундском проливе «Славу». Что и было сделано. Три подошедших эсминца сняли команду, но сделали это не без труда. Часть экипажа «Славы» запаниковала. 

С дисциплиной во время Моонзундского сражения на кораблях было, мягко говоря, неважно. Так, матросский комитет минного заградителя «Припять» еще 12 октября принял решение отказаться от выполнения приказа командующего выйти в море для постановки мин в одном из проливов архипелага. Передумали на «Припяти» только спустя двое суток. 17-18 октября адмирал Бахирев вновь встретил неповиновение. На этот раз отказались идти в бой экипажи нескольких эсминцев. На суше было еще хуже. Островные гарнизоны уже не думали сопротивляться, несмотря на то, что подошли ощутимые подкрепления. Были и исключения. Героически сражался на острове Моон Ревельский морской батальон смерти, созданный летом 1917 год. Из 650 человек личного состава на большую землю вывезли только 150. Остальные или погибли или пропали без вести. Моон был сдан 18 октября, два дня спустя пал остров Даго. Программу-минимум германцы выполнили. Залив, архипелаг и проливы оказались в их руках, что позволило им начать захват эстонского побережья. 

О потерях в Моонзундском сражении спорят до сих пор. Причем, не о потерях в живой силе, тут все более-менее ясно. Немцы потеряли 411 человек убитыми и ранеными. Наши – только пленными более 20 000. Спорят об уничтоженных кораблях. Незыблема цифра наших потерь – эсминец «Гром» и броненосец «Слава». Традиционно забывают упомянуть сторожевое судно «Барсук», затонувшее из-за навигационной ошибки в рамках Моонзундского сражения. Минимальное число погибших германских кораблей – 9 (эсминец S-64,  миноносцы Т-54, Т-56 и Т-66, патрульные суда «Альтаир», «Дельфин», «Гутейль», «Глюкштадт» и тральщик М-31). Советская военная историография грешила некоторыми неточностями и приписками. Официальная версия гласила, что «героические балтийские моряки, ведомые большевистскими солдатскими и матросскими комитетами», уничтожили 16 кораблей противника и столько же повредили. В число «16» вносились погибшие вспомогательные суда вплоть до глиссеров. Немецкий генерал-майор Эрих фон Чишвиц, написавший подробное исследование сражения, предмет, безусловно, знал. Он командовал штабом «Десантного корпуса» осенью 1917 года. Его список погибших кораблей и судов насчитывает 15 позиций. Глиссер тоже имеется.

Моонзундское сражение победным для русской армии и флота никак не назовешь. Тактический успех сопутствовал немцам. Другое дело, что развивать его они не стали. Не смогли или не захотели – это отдельный вопрос.