Тем не менее, Сомервилл открыл огонь уже в 16:54, не дожидаясь ни приказа, ни истечения срока ультиматума, с целью сохранения внезапности. Французы совершенно не ожидали такого развития событий, как писал позже де Голль:

…Корабли в Оране не были в состоянии сражаться. Они стояли на якоре, не имея никакой возможности маневра или рассредоточения… Наши корабли дали английским кораблям возможность произвести первые залпы, которые, как известно, на море имеют решающее значение на таком расстоянии. Французские корабли уничтожены не в честном бою.

Эскадра Сомервилла в строю кильватера находилась в 14 км на норд-норд-вест от Мерс-Эль-Кебира, курс — 70, скорость — 20 узлов. Спустя полторы минуты после первого английского залпа французские линкоры, стоявшие на якоре, открыли ответный огонь. Адмирал Женсуль, не намереваясь вести бой на якорях, приказал им построиться в кильватерную колонну в следующем порядке: «Страсбург», «Дюнкерк», «Прованс», «Бретань». Эсминцы и другие суда должны были прорываться самостоятельно — по способности. «Страсбург», кормовые швартовы и якорная цепь которого были отданы еще до первого английского залпа, начал движение немедленно. В 17:10 капитан 1 ранга Луи Коллинс вывел свой линкор на главный фарватер и 15-узловым ходом направился в море. Вместе с ним вышли все 6 эсминцев.

Первым из французских кораблей открыл огонь «Дюнкерк». Когда первый залп англичан накрыл портовый мол, на «Дюнкерке» уже отдавали швартовы и травили кормовую цепь. В 17:00 линкор открыл огонь, в то же время он получил первое попадание 381-мм снаряда линейного крейсера «Худ». Снаряд попал в корму и, пройдя через ангар и унтер-офицерские каюты, вышел через бортовую обшивку в 2,5 метрах ниже ватерлинии. Этот снаряд не взорвался, поскольку тонких плит, которые он пронзил, было недостаточно для взведения взрывателя. Однако в своём движении через «Дюнкерк» он перебил часть электропроводки левого борта, вывел из строя моторы крана для подъема гидросамолётов и вызвал затопление топливной цистерны левого борта. Ответный огонь был быстрым и точным, хотя определение расстояния затруднялось условиями местности и нахождением между «Дюнкерком» и англичанами форта Сантон.

В 17:03 первое попадание, вызвавшее пожар и большую течь, получил «Прованс». Чтобы избежать затопления, линкор пришлось приткнуть к берегу носом на девятиметровой глубине. В 17:07 пожар охватил старый линкор «Бретань». Через две минуты корабль начал опрокидываться и внезапно взорвался, погибло 997 человек.

Выходящий на фарватер 12-узловым ходом «Дюнкерк» был поражен залпом из трёх 381-мм снарядов. Первый попал в крышу второй башни главного калибра над портом правого внешнего орудия, сильно вдавив броню. Большая часть снаряда срикошетировала и упала на землю примерно в 2000 метрах от корабля. Кусок брони или часть снаряда ударил в зарядный лоток внутри правой полубашни, воспламенив разгружаемые пороховые картузы. Вся прислуга полубашни погибла в дыму и пламени, но левая полубашня продолжала действовать — броневая перегородка изолировала повреждения.

Второй снаряд ударил рядом с двухорудийной 130-мм башней правого борта, ближе к центру корабля от кромки 225-мм пояса и пробил 115-мм бронепалубу. Снаряд серьёзно повредил перегрузочное отделение башни, блокировав подачу боезапаса. Продолжая своё движение к центру корабля, он пробил две противоосколочные переборки и взорвался в отсеке кондиционеров и вентиляторов. Отсек был полностью уничтожен, весь его персонал убит или тяжело ранен. Тем временем в перегрузочном отделении правого борта загорелось несколько зарядных гильз и взорвалось несколько загружаемых в элеватор 130-мм снарядов. И здесь вся прислуга была убита. Взрыв также произошел у воздуховода в носовое машинное отделение. Горячие газы, пламя и густые клубы желтого дыма через броневую решетку в нижней броневой палубе проникли в отделение, где 20 человек погибло и только десяти удалось спастись, а все механизмы вышли из строя. Это попадание оказалось очень серьёзным, так как привело к нарушению подачи электроэнергии из-за чего вышла из строя система управления огнём. Неповрежденной носовой башне пришлось продолжать стрельбу под локальным управлением.

Третий снаряд упал в воду рядом с правым бортом чуть дальше в корму от второго, поднырнул под 225-мм пояс и пробил все конструкции между обшивкой и противоторпедной переборкой, при ударе о которую и взорвался. Его траектория в корпусе проходила в районе второго котельного отделения и первого машинного отделения, где располагались внешние валы. Взрывом уничтожило нижнюю броневую палубу на всём протяжении этих отделений, броневой скос над топливной цистерной, противоторпедную переборку и туннель правого борта для кабелей и трубопроводов. Осколки снаряда вызвали пожар в правом котле второго котельного отделения, повредили несколько клапанов на трубопроводах и перебили главный паропровод между котлом и турбоагрегатом. Вырвавшийся перегретый пар с температурой под 350 градусов нанес смертельные ожоги персоналу котельного отделения, который стоял на открытых местах.