无奈之中，斯托克顿命令游离在战局之外的木质舰只赶来助战。由第三列战舰队负责截击堵住唐城舰队的去路。自己的第一列战舰绕到唐城舰队左翼打击唐城舰队实力较弱的另外一列纵队。
战斗一开始便有利于唐城舰队，黄亮信心大增，他命令所有战列舰、巡洋舰、驱逐舰和鱼雷快艇留下来打击敌舰，铁壳木质战舰掩护运输船、医院船、辅助舰只撤退。
14:10分，联合舰队已经有1艘战列舰，7艘巡洋舰，1艘驱逐舰不得不退出了战斗，唐城舰队只有几艘军舰受了轻伤以及2艘铁壳木质战舰被击沉。但是战局悄悄的在改变。
唐城舰队的第二分舰队此时已经脱离了战场，可是面对战场上的优势黄亮没有及时对第一分舰队下达撤退命令。斯托克顿率领的主力分舰队从黄亮侧翼加入了战局。第一分舰队三面受敌，面临被包围的危险。
14:15分，斯托克顿指挥的26艘战列舰冲入硝烟弥漫的混战。他命令3到4艘战列舰围攻一艘唐城战列舰，剩下的29艘巡洋舰也采取同样的战术攻击唐城舰队的8艘巡洋舰。驱逐舰对付鱼雷艇，其他舰只自由作战。
斯托克顿的群狼战术很快奏效。14:40分，1700吨的北方号180mm的装甲终究没有顶住280mm重炮的打击，船体进水，右舷严重倾斜。斯托克顿指挥自己8800吨的旗舰密苏里号撞向北方号的左侧，5分钟后，北方号沉没。
14:50分，参加围攻唐城号的3220吨明轮老式战列舰密西西比号被唐城号280mm主炮击中要害，在沉没之前这艘1842年下水的战舰借着烟雾的掩护勇敢的撞向同样只有三千多吨的唐城号，混乱中唐城号没有躲开撞击，密西西比号那锋利的撞角给唐城号造成了巨大的伤害，海水疯狂的灌入左侧船体，管损不得不关闭了几个舱室，唐城号严重倾斜。舰桥顶上的无线电报天线也不幸被炮弹击中损坏严重。
真正的激战只进行了半个小时，旗舰唐城号意外的失去了指挥能力，使战局大为改观。联合舰队采用撞击战术屡屡奏效，看到这一古老的战术又复活了，其他舰只纷纷采用。此时唐城舰队在吨位上的劣势暴露无遗。舰队中吨位最大的是唐城号和印第安号，3500吨。其他战列舰都在2000吨左右。巡洋舰大多只有1000吨左右。连唐城号都经受不住撞击，更别提其他军舰了。
无奈的黄亮只能将旗舰转移到印第安号上，并且下达了撤退命令，自己指挥唐城号拖着倾斜的舰身撤离战场。
15:20分，唐城舰队主力基本脱离战场，2艘1700吨战列舰、4艘巡洋舰、3艘驱逐舰、3艘铁壳木质战舰被击沉，两个鱼雷大队基本被消灭。其余舰只均不同程度受伤。
联合舰队方面，前后一共有12艘战列舰、11艘巡洋舰、3艘驱逐舰、21艘铁壳木质战舰、6艘武装商船被击沉。还有14艘各类战舰失去了战斗力。虽然失去的军舰多是速度低、装甲薄的老式战舰。对于这样的战果，联合舰队只能说是惨胜。
此战一个悲壮的亮点是首次出战的鱼雷快艇，两个大队一共有12艘80吨的鱼雷快艇，他们一共消灭了2艘战列舰和3艘巡洋舰还有十几艘其他军舰。但是面对同样具有机动性的新式驱逐舰他们自身损失也很大。几乎全部覆灭。
对于下一步的行动联合舰队内部出现分歧，法国舰队和南方舰队要求返航，而舰队司令斯托克顿坚持追击。最后英国舰队支持了他的意见，法国舰队和南方舰队返航洛杉矶。斯托克顿率领11艘战列舰、12艘巡洋舰、3艘驱逐舰、7艘其他辅助舰只对撤退的唐城舰队展开了追击。
16:20分，斯托克顿率领的追击舰队渐渐的追上了受伤严重的唐城号。此时舰队司令黄亮已经上了印第安号指挥舰队，看见唐城号有被击沉的危险，黄亮率领受伤不太严重的印第安号、南方号、温哥华号、海峡号四艘战列舰，以及2艘巡洋舰对唐城号进行援救。这是一个极为不明智的举动。但是唐城号是李健亲自命名的唐城舰队旗舰，黄亮不愿意看见他被敌军击沉。
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16:30分，双方在圣罗莎岛以北海面再次发生激战。
双方均在远距离处用大炮轰击对方，这次双方的互射唐城舰队并没有占到太大的便宜。斯托克顿集中所有火力攻击太过靠前的海峡号，海峡号舰首受到严重炮击，舰桥也受到损坏，舰身起火，受伤严重退出战斗，联合舰队方面有2艘战列舰受伤退出战斗返航。
16:50分，黑夜即将到来，黄亮担心再次陷入重围，放弃了唐城号，掉头向北撤退。
17:10分，唐城号再次被追上。当时唐城号只有左舷的副炮可以开火，为了避免被敌军俘虏，唐城号官兵努力将军舰向海岸驶去，在无奈之下舰长宣布弃舰，并引爆了弹yao库自沉。随后赶到的美**舰对乘坐在救生艇上和漂浮在海面上的唐城号官兵肆无忌惮的射击，全舰官兵全部阵亡。
17:20分，唐城号沉入海底。
18:00分，斯托克顿追上了另外一条受伤的海峡号战列舰，双方再次发生激战。海峡号凭着结实的装甲躲过了致命打击，乘着天色渐暗逃离了战场。
不过海峡号并没有逃过厄运，由于受伤过重，它于第二天下午在旧金山以南海面沉没。舰上官兵弃舰登陆逃过一劫。
圣罗莎海战以联合舰队惨胜结束，这是一次真正意义上的铁甲舰大海战，海战结果证明厚重的装甲和大口径舰炮在海战中的重要性。缺少装甲的木质军舰遭到毁灭性的打击，从此退出历史舞台。
这场海战，中国人犯了一个战略性的失误，那就是吨位8千多的李健号不在此次战斗序列当中。如果它能够参战，战局也许会好很多。
从双方吨位损失上看，唐城损失了18900吨。联合舰队损失接近100000吨，是唐城舰队损失的5倍多。中国人虽败犹荣。不过从战略上看唐城舰队失去了海面上的优势，美国人夺得了制海权，唐城形势堪忧。
斯托克顿将军在这次海战中表现了他坚忍不拔的性格，正是由于他执著的坚持，唐城号和海峡号没能逃脱厄运，相继沉没。这对中国太平洋唐城分舰队构成了致命的打击。斯托克顿将军在海峡号逃离战场后返航，在洛杉矶港口受到英雄般的欢迎。而黄亮将军的指挥差强人意，两次失误断送了两艘主力战列舰。
圣罗莎大海战标志着第一次世界大战全面爆发。
12月25日，中国方面向英法两国提交了最严正的抗议，抗议两国在圣罗莎大海战中对中国不宣而战。随后，李健授权政府向英法两国正式宣战。
同日，英法、墨西哥也向中国宣战。
27日，加拿大对中国宣战。
28日，中国拒绝了俄国要求满洲独立的要求，谈判破裂，随后俄国对中国宣战。
29日，政府任命广州卫戍司令张之洞为总指挥，抽调广东地方部队和海军收复香港。
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北美洛杉矶战役的消息迅速传到欧洲，整个欧洲为之震动。奥地利、匈牙利、西班牙、葡萄牙、荷兰在英法外交攻势下于31日正式对中国宣战。宣战书被送到柏林郊外波兹坦薛福成手里。薛福成和玛丽安妮焦急万分，因为柏林议会正在激烈讨论普鲁士的立场，议会要求普鲁士政府最低限度不能站在整个欧洲的对立面。普鲁士刚刚在收回什列斯维希—霍尔施坦的战役中打败丹麦，在这场战争中英法和奥地利都站在普鲁士一边，现在是回报他们的时候了。俾斯麦极力反对这种政治交换，可是他也受到了挑战，因为俄国已经对中国宣战了。1863年初，在波兰起义事件中，几乎整个欧洲都站在波兰一边，俾斯麦却支持俄国，并极力主张亲近俄国。如今有人在议会中大声质问他的政治品质。如果按照他的一贯政治主张，此时正应该站在俄国人一边。
1864年1月1日，俾斯麦在柏林议会以非凡的勇气和胆量发表了对他一生乃至整个德意志最为重要的演讲。
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