Сам «Харьков» несколько отстал и, повернув на курс отхода, в 5:14 увеличил ход до 30 узлов, чтобы в дымовой завесе не выскочить из кильватерной струи головного корабля. В это же время он прекратил огонь, израсходовав 154 фугасных снаряда. Одновременно с флагманского корабля заметили по корме три миноносца противника, которые идя на север, как казалось, открыли беспорядочный огонь — во всяком случае их залпы ложились с большим недолетом от «Харькова».

Огонь по «Москве» прекратился, но она продолжала идти противо-артиллерийским зигзагом. Видя это, командир дивизиона в 05:20 дал команду на головной корабль: «Больше ход, идти прямым курсом». Однако это приказание исполнено не было: в 5:21 в районе третьего орудия лидера «Москва» раздался мощный взрыв, столб воды и дыма поднялся метров на 30, и корабль разломился пополам. Носовая часть оказалась развернутой форштевнем в сторону кормы и легла на левый борт. У кормовой части в воздухе вращались винты и работала дымовая аппаратура, а на кормовой надстройке начало стрельбу по приближавшемуся самолету противника зенитное орудие. Через 3–4 минуты обе части лидера затонули.

После подрыва «Москвы» лидер «Харьков» обогнул ее с севера (при этом он благополучно пересек минное заграждение S-10) и по приказанию командира дивизиона застопорил ход в 1–2 кб от гибнущего корабля для спасения людей. Однако, выслушав доводы командира «Харькова» капитана 2-го ранга П.А. Мельникова, М.Ф. Романов изменил свое решение, и уже через минуту лидер дал ход. В 5:25 рядом с «Харьковым» упало два 280-мм снаряда с береговой батареи «Тирпиц». Взрывы вызвали сильное сотрясение корпуса, в результате этого в котлах упало давление пара, скорость корабля снизилась до 6 узлов.

В это время командир ОЛС на крейсере «Ворошилов», находившийся в точке рандеву с ударным отрядом, получил от командира дивизиона радио с использованием таблицы условных сигналов: «Обстрелял нефтебаки, нуждаюсь помощи, мое место квадрат 55672».