Все же французские линкоры, стоявшие на якоре, открыли ответный огонь через полторы минуты после первого залпа англичан. Вице-адмирал Женсуль приказал эскадре, состоявшей из линкоров и крейсеров, выходить в море и строиться в кильватерную колонну для традиционного ведения артиллерийского боя. Эсминцам и другим судам приказывалось прорываться в открытое море самостоятельно.

Первым вышел по фарватеру в открытое море линкор «Страсбург», которым командовал капитан 1-го ранга Луи Коллинс. Второй линкор – «Дюнкерк» (первым открывший ответный огонь) первым получил попадание снаряда крупного калибра и серьезные повреждения. Затем получил первое попадание старый линкор «Прованс»: на нем начался пожар, возникла течь и корабль осел кормой. Чтобы он не затонул, его приткнули носом к берегу на 9-метровой глубине. Пожар охватил и второй старый линкор «Бретань»: через две минуты он стал опрокидываться и внезапно взорвался. На нем погибло 977 человек экипажа, в том числе 38 офицеров.

Двигавшийся по фарватеру линкор «Страсбург» был поражен залпом из трех 381-мм снарядов. После этих трех попаданий на линкоре продолжало действовать только третье отделение котельной и второе машинное отделение. Полностью вышла из строя часть корабельной артиллерии. Но все же линкор смог выпустить по английской эскадре до получения приказа прекратить огонь сорок 333-мм снарядов.

Новейшему линкору пришлось пережить воздушную атаку шестерки торпедоносцев с авианосца «Арк Ройал». Нападение было безуспешным, хотя одна из торпед взорвалась в 25 метрах от «Страсбурга», не причинив ему вреда.

В те минуты прямое попадание крупнокалиберного снаряда получил лидер эсминцев «Могадор». Чтобы не пойти на дно, ему пришлось выброситься на мель, после чего команда принялась за тушение возникшего пожара. Помощь в этом ей стали оказывать моряки с соседних кораблей.

Эффективность артиллерийского огня французской стороны в тот день была поразительно низкой. Точнее – никакой. Ответный огонь французской эскадры был интенсивным, но неточным. Французы дважды брали английские корабли в вилку и при этом не добились ни одного попадания. Людские потери соединения «Н» в тот день выразились в двух раненных осколками.

Морская баталия показала, что наибольшую угрозу для эскадры вице-адмирала Джеймса Сомервилла представляла даже не корабельная артиллерия французов, а их береговые батареи. Батареи форта Сантос, избрав в качестве цели британский флагман, выпустили по нему около трех десятков 194-мм снарядов. А береговые батареи на противоположном конце Оранской бухты обратили в бегство английский эсминец «Рестрел», опасно для себя приблизившийся к гавани.

Уже под вечер англичане, удовлетворившись результатами огневого боя, продолжая идти в строю кильватера, отвернули на запад, прикрывшись поставленной дымовой завесой. Тем временем на море шел бой, в котором приняли участие шесть французских эсминцев. Они по тревоге прибыли к Мерс-эль-Кебиру из близкого города-порта Орана. Было сбито три английских самолета, атаковавших эсминцы.

Из крупных кораблей из Мерс-эль-Кебира вырвался в открытое море только линкор «Страсбург». Он выдержал несколько налетов авиации «новоявленного врага». Обогнув южную конечность острова Сардиния, линкор ушел в Тулон. Туда же прорывались и эсминцы. Английская эскадра прекратила преследование в 20.20 вечера, так как не была готова к ведению ночного боя. Соединение «Н» повернуло на Гибралтар, куда прибыло на следующий день, 4 июля.

Оставшийся в Мерс-эль-Кебире линкор «Дюнкерк» вошел в гавань Сен-Андро, где под прикрытием форта Сантос и возвышенного побережья его экипаж стал исправлять полученные повреждения. Но 6 июля английские торпедоносцы большой группой совершили на него нападение, и линкор получил новые повреждения, в том числе пробоину в правом борту. После ремонтных работ «Дюнкерк» 6 августа был стащен с мели на свободную воду. Впоследствии, 19 февраля следующего года, он совершил переход в Тулон.