Отсутствие решающих результатов в морских операциях в водах метрополии начало вызывать раздражение общественного мнения в Англии. Пресса и общественность все чаще задавали вопрос: «А что в это время делает флот?» Морские офицеры сами тяготились рутинным патрулированием и безрезультатными поисками противника. Капитан I ранга Роджер Кейс, командовавший дивизионом подводных лодок, и капитан I ранга Реджинальд Тируит, командовавший флотилией эсминцев, базировавшихся на Гарвич, предложили план нападения на германские патрульные корабли в Гельголандской бухте. Они предполагали втянуть в сражение немецкие легкие корабли и выманить их на 2-ю эскадру линейных крейсеров контр - адмирала Арчибальда Мура (Новая Зеландия и Инвинсибл ).

План получил полное одобрение в Адмиралтействе, и Черчилль разрешил Кейсу и Тируиту действовать. По счастью, Джеллико в последний момент распорядился выделить им в помощь 1-ю эскадру легких крейсеров Уильяма Гуденафа. Таким образом, англичане задействовали в этой операции весьма крупные силы: 5 линейных крейсеров Битти, 7-ю эскадру броненосных крейсеров под командованием контрадмирала А. Крисчена (5 старых броненосных крейсеров типа «Кресси»), 6 легких крейсеров Гуденафа, а также 2 легких крейсера, 35 эсминцев и 6 подводных лодок Тируита и Кейса.

Атака была назначена на утро. В это время суток в Гельголандской бухте был отлив, что означало невозможность выхода в море тяжелых кораблей немцев в течение утра, находившихся в устьях Эльбы и Яды. День был тихий, дул очень слабый северо-западный ветер и стояла порядочная мгла. Видимость не превышала 4 миль, а временами становилась меньше. Из-за этого бой принял форму отдельных столкновении и артиллерийских дуэлей, не связанных между собой. Утром 28 августа 9 новых германских эсминцев 1-й флотилии (30-32 узла, два 88-мм орудия) несли дозор в 35 милях от плавучего маяка Эльба. Их поддерживали 3 легких крейсера — «Хела», «Штетин» и «Фрауенлоб». В Гельголандской бухте находилась 5-я флотилия, из 10 таких же эсминцев и 8 подводных лодок, из которых только 2 были в полной готовности. В устье реки Везер стоял старый легкий крейсер «Ариадне», а в устье реки Эмс — легкий крейсер «Майнц». Таков был расклад сил.

В 7 утра легкие крейсера «Аретьюза» и «Фирлес» в сопровождении двух флотилий эсминцев напали на германские патрульные корабли и вступили с ними в ожесточенную перестрелку. Последние немедленно повернули и начали отходить. Контр-адмирал Маас, командовавший легкими силами в Гельголандской бухте, приказал «Штетину», «Фрауенлобу», эсминцам и подводным лодкам идти к ним на помощь. На береговых батареях Гельголанда и Вангероога, услышав грохот стрельбы, вызвали людей к орудиям. «Зейдлиц», Мольтке, Фон дер Танн и Блюхер начали разводить пары, готовясь выйти в море, как только позволит прилив.

Тем временем английские корабли продолжали гоняться за германскими эсминцами, стреляя по ним с дальних дистанций на параллельных курсах. Вскоре «V-1» и «S-13» были подбиты и начали быстро терять ход. Еще немного, и англичане прикончили бы их окончательно, но в 7.58 в бой вступил «Штетин». Его появление спасло 5-ю флотилию эсминцев, успевших отойти под прикрытие береговых батарей Гельголанда. Британские корабли подошли совсем близко к Гельголанду. Здесь им попались несколько старых миноносцев из 3-го дивизиона траления. Англичане своим огнем нанесли серьезные повреждения «D-8» и «Т-33», но немцев вновь спасло вмешательство их легких крейсеров. «Фрауенлоб» вступил в бой с «Аретьюзой», открыв по ней огонь с дистанции 30 каб. (ок. 5,5 км). «Аретьюза» была, несомненно, сильным кораблем, совершенно новым и вооруженным гораздо более мощной артиллерией, но ее только накануне укомплектовали личным составом, и это ставило ее в известной степени в невыгодное положение. «Аретьюза» получила не менее 25 попаданий и вскоре на ней из всех орудий действовала только одна 152-мм пушка. Однако «Фрауенлоб» был вынужден прервать бой, поскольку получил одно очень тяжелое попадание — прямо в боевую рубку.

В это время легкий крейсер «Фирлес» и эсминцы 1-й флотилии набросились на «V-187», шедший к Гельголанду. Обнаружив, что путь к острову отрезан, немецкий эсминец стал полным ходом уходить к устью Яды и почти оторвался от своих преследователей, когда прямо перед ним из тумана вынырнули два четырехтрубных крейсера. Он ошибочно принял их за «Страсбург» и «Штральзунд», но это оказались «Нотингем» и «Лоустофт» из эскадры Гуденафа. С дистанции 20 каб. (3,6 км) их шестидюймовки буквально разнесли «V - 187». Он пошел ко дну с развевающимся флагом, все еще продолжая стрелять. Английские корабли остановились подобрать тонущих немцев. Однако в этот момент в бой вмешался крейсер «Штетин», и британские крейсера и эсминцы исчезли в тумане и дыму, бросив две шлюпки с пленными, среди которых было много раненых.

В 11.30 германский легкий крейсер «Майнц», шедший из устья р. Эмс, вступил в бой с «Аретьюзой», «Фирлесом» и эсминцами. К месту сражения быстро подтянулись крейсера Гуденафа, что сразу сделало положение «Майнца» безнадежным. После нескольких попаданий у него заклинило руль, и он начал описывать одну циркуляцию за другой. Затем «Майнц» получил в середину левого борта попадание торпедой с одного из английских эсминцев. К 13 часам он затонул. 348 человек из его команды были подобраны и попали в плен к англичанам.

Однако к 12.30 положение англичан стало критическим. В сражение вступили сразу 6 немецких легких крейсеров: «Штральзунд», «Штетин», «Данциг», «Ариадне», «Страсбург» и «Кельн». «Аретьюза» и 3 английских эсминца получили серьезные повреждения. Еще немного — и с ними было бы покончено. Тируит срочно запросил Битти о помощи. Битти уже давно почувствовал, что в сражении в Гельголандской бухте назревает кризис. Однако командующему предстояло принять непростое решение. В условиях плохой видимости вводить тяжелые корабли в пространство между Гельголандом и германским побережьем, кишащим эсминцами и подводными лодками, было слишком рискованно. Удачный торпедный залп вынырнувшего из тумана эсминца мог бы привести к необратимым последствиям. После долгих колебаний Битти, по свидетельству Чэтфилда, наконец произнес: «Несомненно, мы должны идти».

Моряки «Аретьюзы» и подбитых эсминцев, которым казалось, что для них уже все кончено, увидели, как с северо-западного направления в мглистой дымке обрисовались серые громады надстроек линейных крейсеров Битти. Молодой лейтенант Освальд Фрюен, наблюдавший эту картину с полузатопленного эсминца, так описал ее впоследствии: «...Прямо впереди нас, в великолепной процессии, как слоны, шагающие через свору шавок, двигались Лайон, Куин Мери, Инвинсибл и Новая Зеландия — наши линейные крейсера. Огромные, мрачные и неповоротливые, как некие доисторические монстры, они выглядели абсолютно несокрушимыми!»

Первым на пути линейных крейсеров в 12.30 попался «Кельн». Лайон немедленно дал ему вслед два залпа и попал дважды, превратив «Кельн» буквально в груду маталлолома. Через несколько минут такая же судьба постигла престарелую «Ариадне», увлеченную перестрелкой с английскими эсминцами. Лайон , шедший во главе колонны, с ходу влепил в нее два залпа. Итог был плачевный: «Ариадне», охваченная жестоким пожаром, совершенно беспомощная, начала медленно дрейфовать в юго-восточном направлении. Она продержалась на плаву до 15.25, затем тихо ушла под воду.

Расправившись таким образом с немецкими легкими кораблями, Битти отдал приказ немедленно отходить. В 13.25 на обратном пути из Гельголандской бухты линейным крейсерам вновь попался многострадальный «Кельн», который все еще держался на плаву. Два залпа 13,5-дюймовых орудий мгновенно отправили его на дно. Из всей команды «Кельна» спасся только один кочегар, которого немецкие эсминцы подобрали два дня спустя после сражения.

Только после полудня командующий Флотом Открытого моря Фридрих фон Ингеноль получил донесение со «Страсбурга», что в Гельголандскую бухту ворвалась Первая эскадра английских линейных крейсеров. В 13.25 он приказал своим 14 дредноутам срочно разводить пары и готовиться к выходу, но было уже поздно. Отход англичан прошел без происшествий, хотя повреждения «Аретьюзы» и эсминца «Лорел» оказались настолько серьезны, что двигаться своим ходом они были не в состоянии. Крейсерам «Хог» и «Аметист» пришлось взять их на буксир.

Сражение в Гельголандской бухте закончилось, и его итоги для легких сил германского флота были плачевными. Немецкое командование совершило ошибку, посылая в бой легкие крейсера один за другим в туманную погоду против неприятеля неустановленной силы. В результате погибли эсминец и 3 легких крейсера (из которых 2 были превосходными новейшими кораблями). Потери в личном составе насчитывали 1238 человек, из них 712 убитых и 145 раненых; 381 попали в плен. Среди убитых был контр-адмирал Маас (он стал первым адмиралом, погибшим в этой войне), а среди пленных — один из сыновей Тирпица. Англичане потеряли 75 человек: 32 убитых и 53 раненых. Самые серьезные повреждения получил флагманский корабль Тируита легкий крейсер «Аретьюза», но его благополучно дотащили на буксире до Гарвича. Это был первый убедительный успех британского флота в водах метрополии.