После боя в Датском проливе 24 мая 1941 года и уничтожения британского линкора «Худ», на немецком линкоре «Бисмарк» был выведен из строя один из генераторов, в котельное отделение № 2 начала поступать вода, пробиты две топливные цистерны, имелся дифферент на нос и крен на правый борт. Командующий немецким соединением адмирал Лютьенс решил вести «Бисмарк» на ремонт во французский порт Сен-Назер, откуда после ремонта он мог беспрепятственно выйти на просторы Атлантики. Кроме того, позже к нему могли присоединиться «Шарнхорст» и «Гнейзенау». Капитану «Принца Ойгена» было приказано продолжать атаки на британские конвои самостоятельно.
Британские крейсера «Норфолк», «Саффолк» и линкора «Принц Уэльский» продолжали преследовать немцев, сообщая об их расположении. Гибель «Худа» была крайне болезненно воспринята в британском Адмиралтействе, для расследования её обстоятельств позднее была учреждена специальная комиссия. Большая часть находившихся в Северной Атлантике британских военных кораблей была привлечена к охоте за «Бисмарком», включая корабли охранения многих конвоев. Так, находившимся к западу от Ирландии линкору «Родни» и трём из четырёх эсминцев, сопровождавших превращённый в военный транспорт лайнер «Британник», утром 24 мая было приказано оставить конвой и присоединиться к соединению адмирала Тови. Дополнительно были задействованы ещё два линкора и два крейсера. Соединение «H», стоявшее в Гибралтаре, также было приведено в готовность на случай, если «Бисмарк» будет двигаться в их направлении.
24 мая в 18:14 «Бисмарк» в тумане развернулся прямо на своих преследователей. В коротком обмене залпами попаданий не было, однако британские корабли были вынуждены уклониться, и «Принц Ойген» успешно прервал контакт. «Принц Ойген» пришёл во французский Брест через 10 дней. В 21:32 Лютьенс сообщил командованию, что из-за нехватки топлива «Бисмарк» не может продолжать попытки стряхнуть преследователей и вынужден идти прямо в Сен-Назер.
Вечером 24 мая адмирал Тови приказал авианосцу «Викториес» сократить дистанцию, и в 22:10 с него стартовали 9 торпедоносцев «Суордфиш». Под сильным зенитным огнём они атаковали линкор и добились одного торпедного попадания по правому борту. Несмотря на плохую погоду, темноту, неопытность экипажей и поломку наводящего радиомаяка, все самолёты к 02:30 смогли вернуться на «Викториес». Серьёзных повреждений причинено не было, единственное торпедное попадание пришлось в главный броневой пояс. Экипаж «Бисмарка» потерял одного человека. Для защиты от налёта были задействованы все зенитные орудия и даже крупнокалиберные пушки, «Бисмарк» увеличил скорость, выполнял манёвры уклонения от торпед. В результате парусиновые пластыри, заведённые на пробоину в носовой части, отошли, усилилась течь и дифферент на нос. Котельное отделение № 2 было окончательно затоплено.
В ночь с 24 на 25 мая «Бисмарк», воспользовавшись тем, что его преследователи, по-видимому, опасаясь возможной атаки подводных лодок, начали совершать зигзаги, прервал контакт. В 4:01 25 мая «Саффолк» сообщил: «контакт с неприятелем потерян».
Однако на «Бисмарке», по-видимому, продолжали принимать сигналы радара «Саффолка», и в 7:00 утра 25 мая Лютьенс сообщает командованию, что преследование продолжается, а в 9:12 передаёт ещё одну, весьма длинную, радиограмму. Вечером командование сообщает Лютьенсу, что британцы, по-видимому, его потеряли, и приказывает сообщить данные о своём положении и скорости, если это не так. Ответной радиограммы Лютьенс не посылает, но радиоперехват утренних сообщений позволяет британской стороне приблизительно определить местоположение «Бисмарка». Тем не менее Тови ошибочно заключил, что «Бисмарк» направляется к проливу между Исландией и Фарерскими островами, и его соединение начало движение на северо-восток.
В 10:10 26 мая «Бисмарк» был обнаружен в 690 морских милях к северо-западу от Бреста американо-британским экипажем гидроплана «Каталина» британского командования береговой авиации. Самолёт вылетел на поиски с базы Касл Аркдэйл на озере Лох-Эрн в Северной Ирландии. В тот момент за штурвалом гидроплана находился Леонард Б. Смит, военно-морских сил США, неофициально, в силу того, что его страна на тот момент не участвовала в войне, состоявший в качестве инструктора, а также второго пилота на гидропланах «Каталина» в 209 эскадрилье RAF. Чтобы избежать плотного зенитного огня, Смит спешно сбросил глубинные бомбы и увёл гидроплан в облака, в дальнейшем потеряв противника из виду. Позднее в этот же день «Бисмарк» был также обнаружен двумя другими американскими пилотами — лейтенантом Джонсоном из 240 эскадрильи RAF и Рейнхартом из 210 эскадрильи RAF. Лютьенсу оставалось примерно 690 миль до Бреста (Франция). Это означало, что при приближении к берегам оккупированной Франции он вскоре смог бы использовать для прикрытия своего корабля с воздуха самолёты люфтваффе.
Единственным британским соединением, способным замедлить «Бисмарк», было соединение «H» под командованием адмирала Соммервилла, которое вышло из Гибралтара, имея в своём составе авианосец «Арк Ройял». В 14:50 с него к месту обнаружения вылетели торпедоносцы-бипланы «Суордфиш». К тому времени в этом районе находился отделившийся от соединения для установления контакта с «Бисмарком» британский крейсер «Шеффилд», и не оповещённые об этом пилоты ошибочно начали торпедную атаку. К счастью для британцев, ни одна из 11 выпущенных торпед не попала в цель. После этого плохо показавшие себя в этой атаке магнитные взрыватели на торпедах было решено заменить на контактные.
К 17:40 «Шеффилд» установил визуальный контакт с «Бисмарком» и начал преследование. В 20:47 пятнадцать торпедоносцев с «Арк Ройял» начали вторую атаку на «Бисмарк». Две машины велись пилотами настолько низко, что команды скорострельной малокалиберной артиллерии находились выше атакующих и с трудом различали их на фоне волнующегося моря. Британский пилот тихоходного биплана «Суордфиш» Джон Моффат добился попадания, которое имело решающее последствия: пытаясь уклониться от торпеды, «Бисмарк» повернул влево, и торпеда вместо пояса брони по правому борту попала в кормовую часть, причинив тяжёлое повреждение рулевого механизма и заклинив рули. «Бисмарк» потерял возможность маневрировать и начал описывать циркуляции. Попытки восстановить управляемость успеха не принесли, и линкор стал двигаться на северо-запад.
Около 21:45 «Бисмарк» открыл огонь по «Шеффилду», ранив 12 человек, а ночью вступил в бой с британским соединением, состоявшим из эсминцев «Казак», «Сикх», «Зулус» и «Маори», вместе с переданным Великобританией польскому флоту эсминцем «Гром». Ни та, ни другая сторона не добилась прямых попаданий. К утру была дана команда остановить машины. Корабль уже был в радиусе действия бомбардировочной авиации Германии, но она не оказала помощи «Бисмарку». Инженер-капитан Юнак запросил мостик о разрешении дать хотя бы малый ход по технической необходимости. Кораблю был дан малый ход.
27 мая в 08:00 утра «Родни» и «Кинг Георг V» подошли к «Бисмарку» на расстояние 21 морской мили. На тот момент видимость была только 10 морских миль и волнение моря достигало 4—5 баллов. Ветер дул с северо-запада, по силе равный 6—7 баллам. «Родни» держался курса на север так, чтобы вести огонь по «Бисмарку» с достаточной дистанции, в то время как «Кинг Георг V» принял в сторону.
Огонь был открыт в 08:47. «Бисмарк» ответил огнём, но его неспособность уклоняться и крен негативно влияли на точность стрельбы. Низкая скорость (семь узлов) также сделала корабль лёгкой целью для тяжёлых крейсеров «Норфолк» и «Дорсетшир», объединивших свою огневую мощь. В 09:02 203-миллиметровый снаряд с «Норфолка» поразил главный дальномерный пост на фок-мачте. При этом был убит офицер Адальберт Шнейдер, награждённый Рыцарским Крестом в ранние часы того же самого утра за участие в потоплении «Худа». В 09:08 406-мм снаряд с «Родни» поразил обе носовые башни «Бисмарка», «Anton» и «Bruno», выведя из строя последнюю. Одновременно другим попаданием разрушило передовой контрольный пункт, убив большинство высших офицеров. Кормовые башни корабля «Caesar» и «Dora» продолжали стрельбу на близкой дистанции, но попаданий не добились.
В 09:21 «Dora» была подбита. Команде «Anton» удалось произвести один последний залп в 09:27. В 09:31 «Caesar» дала свой последний залп и тогда же вышла из строя. Близкие разрывы снарядов этого залпа повредили «Родни», заклинив торпедные аппараты. Огонь «Бисмарка» в ходе всего сражения был сосредоточен на «Родни», возможно, в надежде на достижение успеха, подобного достигнутому в противостоянии с «Худом».
После того как тяжёлые орудия «Бисмарка» смолкли. «Родни» подошёл на дальность прямого выстрела, в то время как «Кинг Георг V» продолжал стрельбу с большего расстояния.
«Бисмарк» не спускал боевого флага. Британцы не испытывали желания оставить «Бисмарк» в покое, но и тот не подавал признаков сдачи, несмотря на неравную борьбу. Запасы топлива и снарядов британской эскадры были невелики. Однако, когда стало очевидно, что их враг не сможет достигнуть порта, «Родни», «Кинг Георг V» и эсминцы были отозваны домой. Крейсерам было приказано добить «Бисмарк» торпедами. «Норфолк» использовал свои последние торпеды, подключившийся к атаке «Дорсетшир» выпустил три 533-мм торпеды, которые поразили «Бисмарк» на короткой дистанции.
Верхняя палуба линейного корабля была почти полностью разрушена, но его машины всё ещё функционировали.
Был отдан приказ открыть кингстоны и покинуть корабль. Многие из команды прыгали за борт, но с нижних палуб только нескольким морякам удалось выбраться живыми. Капитан Линдеман считался убитым со всеми офицерами после того, как мостик был поражён 406-миллиметровым снарядом. Неясно также, он ли отдавал приказ покинуть корабль, или же нет. В то же время, некоторые из спасшихся настаивали, что видели капитана живым, добровольно оставшимся со своим идущим ко дну кораблём.
«Бисмарк» ушёл под воду в 10:39 утра, встав на дне на ровный киль. Не зная его судьбы, Группа «Запад» — немецкая командная база — продолжала посылать сигналы на «Бисмарк» ещё несколько часов, пока агентство «Рейтер» не сообщило в новостях из Великобритании — «корабль потоплен». В Великобритании, в Палате общин, сообщили о потоплении «Бисмарка» в тот же день. Крейсер «Дорсетшир» и эсминец «Маори» остались, чтобы спасти оставшихся в живых, но из-за тревоги, поднятой с появлением немецкой подводной лодки, покинули место битвы, сумев спасти 111 моряков «Бисмарка» и бросив остатки команды в воде. Среди спасённых был корабельный кот. Вечером немецкая подводная лодка U-74 подобрала трёх оставшихся в живых немецких моряков, спасшихся на надувном плоту. Ещё двух моряков на надувном плоту подобрало следующим утром немецкое метеорологическое судно «Заксенвальд». Всего из 2220 человек команды «Бисмарка» выжило 116 человек и кот по кличке Непотопляемый Сэм.
Вопрос о причинах, вызвавших гибель корабля, долгое время являлся предметом дискуссий: торпеды ли с «Дорсетшира» причинили смертельное повреждение, или же корабль затонул в результате действий трюмной команды, получившей приказ открыть кингстоны. Существует мнение, что остойчивость корабля была нарушена совместным действием этих факторов. Как бы то ни было, подводная экспедиция знаменитого кинорежиссера Д. Камерона к затонувшему кораблю показала, что кингстоны корабля открыты.
Последний бой «Бисмарка» показал, насколько трудно линейному кораблю потопить другой линейный корабль, даже при численном превосходстве. С другой стороны, решающее попадание в «Бисмарк» было произведено одной торпедой с небольшого самолёта. Гибель «Бисмарка» явилась яркой иллюстрацией утраты линкорами главенствующего положения во флоте. Эта роль перешла к авианосцам.
Поиск затонувшего линкора был начат ещё в июне 1988 года океанографом и исследователем Робертом Баллардом. Первая экспедиция окончилась безрезультатно, но вторая принесла успех — обломки Бисмарка были обнаружены 8 июня 1989 года в точке в 960 км к западу от побережья Франции. Обломки, изученные при помощи дистанционно управляемого автономного глубоководного аппарата «Argo», находятся на глубине 4790 метров на склоне потухшего подводного вулкана высотой около 1000 метров. Корпус затонувшего линкора сполз по склону почти на 1500 метров от места падения, на котором остался заметный ударный кратер, созданный в донных отложениях массивным корпусом при соприкосновении с дном. Корпус лежит на дне почти на ровном киле и примерно до ватерлинии занесён донными отложениями. В ходе погружения все 4 башни орудий главного калибра выпали и лежат отдельно. Кормовая часть также утрачена. Помимо этого потеряны: верхняя часть передней надстройки, дымовая труба, грот-мачта, правый кран (левый лежит на барбете башни «Цезарь»), щиты 105-мм орудий и часть прочих конструктивных элементов. Носовая надстройка с левого борта очень сильно повреждена огнём британских кораблей. Но в целом остов корабля и поныне находится в относительно хорошем состоянии. Так, например, до сих пор сохранился деревянный настил палубы, а свастики в носовой и кормовой оконечностях всё ещё заметны.
Как показывают реконструкции, Бисмарк затонул, опрокинувшись на борт, затем (уже под водой) перевернулся вверх килем, что вызвало «выпадение башен из своих гнёзд»; далее вновь перевернулся уже килем вниз и в таком положении соприкоснулся с дном и съехал по склону вулкана. В ходе погружения, возможно вследствие переворотов корпуса, часть кормовой оконечности разрушилась либо отделилась.
В июне 2001 года к обломкам Бисмарка впервые спустились люди (в ходе экспедиции Майкла МакДоуэлла) на обитаемых глубоководных аппаратах «Мир». Базой экспедиции было российское научно-исследовательское океанографическое судно «Академик Мстислав Келдыш».
С 9 по 13 июня 2001 года к обломкам Бисмарка погружался дистанционно управляемый автономный глубоководный аппарат «Магеллан-275» (в рамках экспедиции под руководством Дейвида Мернза по обнаружению и исследованию обломков линейного крейсера Hood).
В мае-июне 2002 года в ходе экспедиции под руководством Джеймса Кэмерона было осуществлено 6 погружений на аппаратах «Мир» к обломкам линкора (базой также выступало судно «Академик Мстислав Келдыш»). Экспедиция, в частности, обнаружила отсутствие у корпуса линкора внешней обшивки ниже ватерлинии (между шпангоутами 32 и 202,7), вероятно, утраченной при ударном соприкосновении корпуса с дном. На основе данных, полученных в результате проведения экспедиции, был снят документальный фильм «Экспедиция Бисмарк».
В 2002 и 2005 году Майкл МакДоуэлл вновь организовывал экспедиции к затонувшему кораблю с использованием аппаратов «Мир» (6 и 4 спусков соответственно). Экспедиция 2005 года пока что является последней.
В целом изучение остова затонувшего корабля показало, что цитадель линкора ни разу не была пробита с бортов, то есть настильным огнём. Большие вмятины на броневом поясе, вероятно, свидетельствуют о том, что часть снарядов британских линкоров рикошетировала от бортовой брони Бисмарка.
Кормовая часть корпуса до сих пор не обнаружена, что свидетельствует о том, что она откололась от основной части корпуса при его погружении на дно.
Картина повреждений корпуса указывает на то, что непосредственной причиной затопления было не нарушение целостности цитадели корабля от воздействия огня орудий главного калибра британских линкоров, а открытие кингстонов командой линкора (это предположение находит своё подтверждение в показаниях выживших членов экипажа линкора).
Также точно не установлено была ли пробита цитадель через палубы, то есть сверху.