Langsdorff decidió aplastar a sus adversarios uno a uno y concentró sus fuegos sobre el más poderoso y peligroso de ellos: el crucero pesado Exeter. A las 06:16, fueron disparados los primeros fuegos desde los montajes triples de 280 mm del Admiral Graf Spee y tres minutos después fueron contestados por el “Exeter”. La distancia se había acortado sensiblemente y no rebasaba los 15.000 metros. Las dos naves intercambiaban un rápido y nutrido fuego. El Exeter fue tocado, lo cual fue advertido por el Admiral Graf Spee, gracias a las llamas y la densa humareda que salía de él. Algunos proyectiles del Exeter también habían tocado al acorazado alemán. El primero destruyó completamente la cocina, así como la red de agua potable de la nave. Otros dieron en el compartimiento de torpedos, averiaron el puesto de dirección de tiro antiaéreo y demolieron algunos camarotes. Hubo muertos y heridos. Pero los daños en el Admiral Graf Spee eran mínimos comparados con el infierno desencadenado en el Exeter. En menos de una hora recibió más de cien proyectiles. Cinco de sus seis piezas fueron silenciadas.
El comodoro Harwood, que había efectuado una vasta maniobra con el Ajax y el Achilles, se acercó a toda velocidad para participar en el combate y socorrer a su buque en peligro. La primera salva que realizó, impactó en el Admiral Graf Spee, destruyendo una pieza de 150 mm y matando a todos sus servidores. A pesar de la superioridad de fuego del acorazado alemán, los dos cruceros ligeros ingleses acribillaron al acorazado. Langsdorff decidió concentrar su fuego sobre los cruceros ligeros Ajax y Achilles, que no se encontraban a más de 8.000 metros. Otro disparo del acorazado dio de lleno en las dos torres de popa; las cuatro piezas de 152 mm fueron silenciadas. Finalmente, los cruceros británicos se apartaron. Luego de salir del alcance de los poderosos cañones de 280 mm del acorazado, el comodoro Harwood decidió seguir al acorazado, tratando de no perderlo de vista.
La trampa de Montevideo
Los resultados del combate para el Graf Spee fueron 56 muertos y 20 impactos; los daños eran relativamente menores, pero habían mermado su provisión de municiones. Fue entonces cuando el acorazado alemán se dirigió hacia el Río de la Plata y entró al Puerto de Montevideo (Uruguay). El gobierno uruguayo ofreció una estadía de 72 horas, que debía emplear para la reparación de la nave con sus propios medios o la internación al término de la misma.
El Almirantazgo británico se convenció de que la fuerza de Harwood no podría impedir que el acorazado se abriera paso hacia el océano y decidió reemplazar al Exeter por el pesado Cumberland. Sin embargo, como se hallaba en las Islas Malvinas, aunque navegase a toda velocidad no podría ganar la embocadura del río de la Plata antes del día 17 de diciembre, es decir, tres días más tarde. La fuerza compuesta por el Renown y el Ark Royal, muy superior al Admiral Graf Spee, se encontraba a la altura de Pernambuco, 2.500 millas al norte, y antes de llegar a la desembocadura del río de la Plata tenía que reabastecerse de combustible, por lo que su intervención antes de una semana, estaba descartada. La delegación diplomática británica en Montevideo hizo circular falsos rumores, amenazas e intimidaciones, que llevaron a Langsdorff a tomar torpes decisiones. En el puerto de Montevideo, por otro lado, las reparaciones del Admiral Graf Spee fueron saboteadas, retrasando ex profeso las mismas, con el fin de retener en puerto a la nave de guerra alemana el mayor tiempo posible, hasta la llegada de las naves británicas que ya estaban en camino, o incluso logrando su internamiento al cumplirse el plazo dado por el gobierno uruguayo.
Durante el tiempo que permaneció en puerto, los miembros de la tripulación muertos fueron enterrados en el cementerio de Montevideo. En el funeral, el capitán Hans Langsdorff usó el saludo naval, en tanto que el resto de asistentes hicieron el saludo nazi.
El hundimiento

Me propongo avanzar hasta el límite de las aguas jurisdiccionales. Si es posible abrirme paso hacia Buenos Aires, librar combate con el resto de mis municiones. Para el caso de que tal tentativa condujera a la destrucción cierta del Graf Spee sin proporcionarle la oportunidad de causar daños al enemigo, pregunto si ha de hundirse el navío en el estuario del Plata, aunque los fondos en él son insuficientes, o bien debe permitirse su internamiento, Comandante Graf Spee.
La respuesta de Raeder dejaba prácticamente en completa libertad de acción al comandante del Admiral Graf Spee, salvo en lo referente a la internación en Montevideo. La última frase decía:
Procure que la destrucción sea total si se ve usted obligado a hundir su barco. Raeder” —Orden del almirante Erich Raeder al capitán de navío Hans Langsdorff, comandante del "Graf Spee"
El 17 de diciembre, el Admiral Graf Spee zarpó poco después de las 18:00, apenas dos horas antes de que expirase el plazo acordado por el gobierno del Uruguay. El buque avanzó lentamente por el estrecho canal en dirección a alta mar. Ahí le aguardaban las naves británicas. Los espectadores del muelle de Montevideo esperaban asistir - de lejos, desde luego - al raro espectáculo de un combate naval. Tras la estela del acorazado marchaba el transporte alemán Tacoma, refugiado en el puerto uruguayo desde el comienzo de las hostilidades. Ambas naves pararon máquinas a unas cinco millas de la costa.
Aparecieron dos remolcadores que provenían de Buenos Aires y una serie de embarcaciones menores que iban y venían del acorazado al transporte, transportando a la tripulación. Luego, a las 19:55, una enorme columna de llamas brotó repentinamente del Admiral Graf Spee. Al cabo de unos instantes se escuchó una fuerte explosión. El Graf Spee había explotado: los alemanes habían hundido su buque.
De acuerdo a las instrucciones de Raeder en su última comunicación a Langsdorff, el buque había sido destruido completamente. Previamente el capitán de navío Hans Langsdorff había preparado cuidadosamente el paso de su tripulación a Buenos Aires, donde iba a ser internada. El 19 de diciembre volvió a dirigirse a sus hombres y terminó diciendo:
La opinión pública discutirá seguramente durante mucho tiempo a fin de averiguar si estábamos equivocados o teníamos razón de destruir nuestro buque, si no hubiera sido más heroico ofrecer de nuevo combate al enemigo y que éste acabara con la muerte de los marinos. Lo habríamos hecho sin murmurar una sola palabra y con alegría. Por mi parte facilitaré la prueba de que eso no ha ocurrido por falta de valor personal —Discurso del capitán de navío Hans Langsdorff a su tripulación antes del hundimiento del "Graf Spee"

Águila que adornaba la proa del acorazado de bolsillo Admiral Graf Spee (Montevideo, Uruguay, febrero de 2006).
En 1997, uno de los cañones secundarios del Admiral Graf Spee de 150 mm fue rescatado, reparado y está expuesto en la actualidad en un predio del Museo Naval de Uruguay en Montevideo.
En febrero de 2004, un equipo de rescate uruguayo, asesorado por el doctor en arqueología de la Universidad de Oxford Mensun Bound, empezó a trabajar en el pecio del Admiral Graf Spee. La operación es financiada parcialmente por el gobierno uruguayo (junto con una serie de empresas, alguna de ellas alemana), puesto que el pecio, hundido en el fango a apenas 8 metros de profundidad, constituye un peligro para la navegación. El 25 de febrero de ese año se extrajo la primera pieza de tamaño significativo, el dispositivo de puntería del buque: un telémetro de 27 toneladas.
El equipo de rescate maneja desde hace tiempo la idea de reflotar el barco, una empresa cuyo coste se estima en unos 24 millones de euros.
Muchos veteranos alemanes no aprueban este intento de reflotamiento, ya que consideran que el pecio es una tumba marina y un monumento histórico submarino que debe ser respetado. Uno de ellos, Hans Eupel, antiguo mecánico especialista en torpedos, con 87 años en 2005, añadió que el intento "... era una locura, demasiado caro y sin sentido. También es peligroso, ya que una de las tres cargas explosivas que colocamos no explotó."
El 10 de febrero de 2006, el gran águila de bronce (400 kilos de peso, dos metros de alto por 2,6 de largo) con una corona de roble enmarcando una esvástica en sus garras que servía de mascarón de proa del Admiral Graf Spee fue recobrada. Se expuso, hasta que se decidiera su destino en el hotel Palladium de Montevideo. Según la ley uruguaya, la mitad de los beneficios obtenidos de su rescate pertenecen al Estado uruguayo y el resto al equipo de rescate. No obstante, el Estado uruguayo puede impedir su salida del país si la considera parte del patrimonio nacional.