英國的密碼破譯員能夠解密部分德國訊號，其中包括一條要求德國空軍為俾斯麥號提供掩護而前往佈雷斯特的命令，由簡·福西特於1941年5月25日解密。法國抵抗運動向英國人確認德國空軍部隊正向那裡轉移。托維此時可以將他的兵力調往法國，在俾斯麥號必須經過的區域集結。

皇家空軍海岸司令部駐紮在北愛爾蘭的一個PBY卡特琳娜水上飛機聯隊也加入搜尋，範圍涵蓋了俾斯麥號試圖到達德佔法國的區域。5月26日10：30，駕駛卡特琳娜的美國海軍少尉飛行員倫納德·B·史密斯發現了俾斯麥號的蹤跡，位於佈雷斯特西北約690海里（1，280千米）處。

以當前的速度，它不消一天時間便可到達U型潛艇和空軍的保護範圍內。大部分英國兵力都不足以接近阻止它。皇家海軍唯一的寄望是由海軍上將詹姆斯·薩默維爾指揮的皇家方舟號和H部隊。勝利號、威爾士親王號、薩福克號和反擊號由於燃料短缺而被迫中斷搜尋；僅剩的重型艦隻除了H部隊外，只有喬治五世國王號和羅德尼號，但它們過於遙遠。

1940年的俾斯麥

當卡特琳娜發現俾斯麥號時，皇家方舟號的劍魚機也已在其附近展開搜尋。幾架魚雷轟炸機同樣找到了戰列艦，距離皇家方舟號大約60海里（110千米）。隨著劍魚返回並重新裝載魚雷後，薩默維爾下令儘快攻擊。他將巡洋艦謝菲爾德號分離前往盯梢俾斯麥號，但皇家方舟號的飛行員並沒有接到這一通知。結果，裝備有新型磁性雷管的劍魚意外攻擊了謝菲爾德號。但由於磁性雷管未能正常工作，謝菲爾德號得以毫髮無損。

當返回皇家方舟號時，劍魚裝載了配以接觸式雷管的魚雷。第二次攻擊由15架飛機組成，於19：10起飛。在20：47，魚雷轟炸機穿過雲層下降開始攻擊。隨著劍魚的接近，俾斯麥號以主炮向謝菲爾德號施射，其中第二輪齊射以跨射命中對方巡洋艦。彈殼碎片灑落在謝菲爾德號上，造成3人死亡，另有數人負傷。

謝菲爾德號在煙幕的掩護下迅速撤退。劍魚然後攻擊；俾斯麥號隨著高射炮與轟炸機交火開始劇烈轉舵。一枚魚雷命中左舷側的艦舯，正好位於水線裝甲帶底緣的下方。爆炸的力量因水下保護系統和裝甲帶而受到極大遏制，但一些結構損壞仍引發輕微水浸。

1941年演習中的俾斯麥號戰列艦

第二枚魚雷是由飛行員約翰·莫法特發射，它擊中了俾斯麥號的左舷側艦艉，靠近左舵軸。左舵元件的聯軸器受到嚴重破壞，使得舵機被鎖定在左轉12°的方位。爆炸還造成了很大的衝擊破壞。船員最終設法修理了右舵，但左舵仍然卡住。呂特晏斯駁回了使用爆破切斷左舵的建議，因為螺旋槳的損傷將使戰列艦無力。在21：15，呂特晏斯報告該艦已無法操縱。

一條箭魚在對俾斯麥進行魚雷攻擊後返回皇家方舟

夜間又進行了各種不同的嘗試，包括使用不同的螺旋槳速度並利用風來試圖恢復操舵， 移除損壞的艦舵，用機庫的大門臨時替換艦舵都由於高浪海況而失敗。所有人都意識到無法挽救俾斯麥號。在1941年5月27日上午，又嘗試用艦載飛機將艦上的戰爭日記帶往安全地帶，由於兩個飛機彈射器都損壞了這個嘗試也失敗。加了油的飛機更造成火災風險，因此只能將其翻倒在海里。

隨著左舵卡死，俾斯麥號此時只能繞圈航行，無法逃離托維的部隊。儘管英國艦隻的數量因為燃料短缺已經減少，但戰列艦喬治五世國王號和羅德尼號仍然可用，陪同它們的還有重巡洋艦多塞特郡號和諾福克號。

俾斯麥號，拍攝於歐根親王號，在萊茵堡行動開始時在波羅的海

呂特晏斯在26日21：40向總部發出訊號：“艦隻無法操縱。我們將戰鬥至最後一發彈藥。元首萬歲！”。船員的情緒變得愈發沮喪，特別是海軍司令部的資訊傳達至艦隻時。為了鼓舞士氣，資訊只強調了船員自己發現的絕望局面。隨著夜幕降臨，俾斯麥號曾短暫地向謝菲爾德號開火，然而這艘巡洋艦迅速逃走。

謝菲爾德號在低能見度下脫離聯絡，而由海軍上校菲利普·維安率領的5艘驅逐艦編隊則受命整夜與俾斯麥號保持接觸。這些艦隻於22：38與俾斯麥號交戰；戰列艦很快以其主炮瞄準它們。經過三輪齊射後，它跨射中波蘭驅逐艦閃電號。驅逐艦繼續保持緊密範圍，直至一次約12000米的近距脫靶才迫使其避開。

從整夜至清晨，維安的驅逐艦都煩擾著俾斯麥號，利用曳光彈照亮它併發射了數十枚魚雷，但無一命中。在05：00至06：00之間，俾斯麥號的船員試圖起飛一架阿拉多196型浮筒機，以帶走艦隻的戰鬥日誌、與胡德號的交戰錄影及其它重要檔案。然而，被威爾士親王號命中的第三發炮彈擊穿了飛機彈射器的蒸汽管路，致使其失效。由於無法彈射飛機，它已成為一個火災隱患，並被推至舷外。

俾斯麥號戰列艦向威爾士親王號開火

5月27日破曉後，喬治五世國王號主導了攻擊。羅德尼號跟隨在其左舷艦艉開外；托維意欲直接駛向俾斯麥號，直至相距大約8海里（15千米）處。在那時，他會將艦隻轉舵朝南，以與其目標相平行。在08：43，喬治五世國王號的瞭望員發現了俾斯麥號，距離在23000米左右。

四分鐘後，羅德尼號前部由六門16英寸（406毫米）炮組成的兩座炮塔率先開火，然後喬治五世國王號的14英寸（360毫米）炮亦開始射擊。俾斯麥號於08：05以前炮還擊；其中第二輪齊射以跨射擦中羅德尼號。此後，俾斯麥號精確瞄準其火炮的能力變得越來越困難，因為無法掌舵的艦隻在巨浪中不規律移動，並使施耐德不能進行預計射程的範圍計算。

隨著範圍下降，艦隻的副炮加入了戰鬥。諾福克號和多塞特郡號已足夠接近並開始以其8英寸（200毫米）炮開火。在09：02，羅德尼號的一枚16英寸炮擊中了俾斯麥號的前部艦艛建築，造成數百人死亡，並嚴重破壞了兩座前炮塔。據倖存者稱，這次齊射很可能殺死了林德曼和呂特晏斯，以及其餘艦橋工作人員。

俾斯麥在漢堡港口

主火控系統也在這次打擊中被毀，同時還可能殺害了施耐德。這次齊射的第二枚炮彈擊中了前主炮塔並使其失效，儘管它還是設法於09：27發射了最後一輪齊射。在後方控制站的海軍中尉馮·米倫海姆-雷希貝格（von Müllenheim-Rechberg）接管了後炮塔的火力控制。他在一枚炮彈摧毀火炮指揮儀、使其裝置失效之前，設法完成了三輪齊射。他還命令炮支獨立射擊，但在09：31，全部四座主炮塔都已無法工作。

俾斯麥號的一枚炮彈在距羅德尼號艦艏約6米開外爆炸，並損壞了其右舷魚雷發射管——這是俾斯麥號最接近的直接命中對手。 至10：00，托維的兩艘戰列艦已經發射了逾700枚主炮炮彈，其中許多都非常接近目標；俾斯麥號已經淪為一片廢墟，從頭到尾都在燃燒。不受控制的湧水使其艦

艉

緩緩下沉，並伴以20度的左舷側橫傾。

羅德尼號駛近至2700米，即該尺寸炮的近距離平射射程，並繼續射擊。托維不會停止射擊，除非德國人撕毀其艦旗或明確表示棄艦。羅德尼號從左舷發射了兩枚魚雷，並有一枚命中。據盧多維奇·肯尼迪表示，“如果屬實，這會是歷史上由一艘戰列艦以魚雷襲擊另一艘戰列艦的唯一例項”。

丹麥海峽海戰後從歐根親王號上看到的俾斯麥

四艘英國艦隻共向俾斯麥號發射了超過2800枚炮彈，並取得400多發命中，卻始終無法以炮火擊沉俾斯麥號。在大約10：20，由於燃料即將耗盡，托維下令巡洋艦多塞特郡號以魚雷擊沉俾斯麥號，並將他的戰列艦遣返回港。多塞特郡號向俾斯麥號的右舷側發射了一對魚雷，其中一枚命中。然後，多塞特郡號移至其左舷側發射了另一枚魚雷，同樣命中。

當這些魚雷攻擊發生時，俾斯麥號已經嚴重傾斜，以至於甲板有部分已與水面持平。與此幾乎同時俾斯麥號的大副漢斯·奧爾斯（Hans Oels）命令甲板以下的人員放棄艦隻；他指示輪機艙的船員開啟艦隻的水密門，並進行鑿沉裝藥籌備。首席工程長格哈德·茹納克命人設定一個導火索燃程達9分鐘的炸藥包，但對講機系統發生故障，他遂派遣一位信差去確認鑿沉艦隻的命令。信差沒有再返回，而茹納克點燃了導火索並責令船員棄艦。

隨著茹納克及其戰友以各自的方式透過不同的樓層，他們聽到了炸藥包被引爆。奧爾斯奔向艦隻各處，命令人們放棄他們的崗位。在他到達甲板之後，一場巨大的爆炸殺死了他和另外百餘人。最後的魚雷似乎引爆了俾斯麥號左舷的艦

艛

建築，而它已經位於水下了。

10：35左右，俾斯麥號朝左舷傾覆，艦

艉

緩緩下沉，並在10：40消失於水平面。一些倖存者報稱，當艦隻沉沒時，他們看見艦長呂特晏斯正於艦艏肅立。 在傾覆時棄艦的茹納克沒有觀察到艦隻右舷側的水下損毀情況。馮·米倫海姆-雷希貝格的報告亦是如此，但他認為左舷當時在水下遭受了更為嚴重的破壞。

羅德尼向俾斯麥開火，可以看到遠處正在燃燒

大約400人此時落入水中；多塞特郡號和驅逐艦毛利號周旋於其中，並放下繩索拉起倖存者。在11：40，當瞭望員發現了一艘他們認為是U型潛艇的艦艇後，多塞特郡號的艦長下令放棄救援工作。多塞特郡號已經救出85人，毛利號在離開現場時則拾起了25人。

一艘U型潛艇隨後到達並發現3名倖存者，而一艘德國拖網船也救起另外2人。由英國人帶走的其中1人於翌日因傷重死亡。在俾斯麥號逾2200名船員中，只有114人最終倖存。在萊茵演習行動期間，俾斯麥號曾三次被《國防軍報道》提及。第一次是對丹麥海峽海戰的描述；第二次是對艦隻毀滅的簡要描述，而第三次則是誇張的聲稱俾斯麥號擊沉了英國驅逐艦並擊落5架敵機。

在演習期間的俾斯麥號戰列艦

1959年，作家C·S·福里斯特出版了他的小說《俾斯麥號的最後九日》。這本書被改編為電影《擊沉俾斯麥號》，於次年發行。為了戲劇效果，電影展現了俾斯麥號被英國驅逐艦擊沉並擊落兩架飛機，但這兩者都不曾發生。同一年，歌手約翰尼·霍頓還發布了歌曲《擊沉俾斯麥號》。