В SKL (штабе оперативного руководства войной на море) Лютьенсу указали, что главной целью является затруднение вражеской военно‑морской деятельности. Вступать в бой с врагом следовало только в том случае, если не было чрезмерного риска. В. Маршалль, которого посетил Лютьенс перед походом, рекомендовал не обращать внимания на указания штаба, однако адмирал отвечал: «Нет уж, спасибо. Уже было два командующих флотом, которые лишились своих постов из‑за трений с SKL, и я не хочу оказаться третьим. Я знаю, чего они хотят, и выполню все их приказы».

Лютьенс вышел в море, хотя и знал, что об этом известно британскому командованию. 21 мая линкор и крейсер в фьорде южнее Бергена обнаружил английский самолет. Англичане попробовали воспрепятствовать рейдерам, когда те вечером направились в море. Вечером 22 мая в Датском проливе германскую эскадру обнаружили и сопровождали крейсера «Суффолк» и «Норфолк», вызвавшие линейные корабли вице‑адмирала Холланда. Утром 24 мая в Датском проливе произошло сражение германских кораблей с английской эскадрой из линейного крейсера «Худ» и линейного корабля «Принс оф Уэлс». С расстояния 10 миль «Бисмарк» потопил флагманский линейный крейсер «Худ», взорвавшийся после попадания германского снаряда в артиллерийский погреб. При взрыве только 3 человека спаслись с крупнейшего корабля королевского флота. Затем «Бисмарк» сосредоточил огонь на линкоре «Принс оф Уэлс». Через 12 минут корабль получил несколько попаданий и, прикрывшись дымовой завесой, покинул поле боя. Командир «Бисмарка» Эрнст Линдеманн намеревался преследовать его, однако Лютьенс запретил. Один из 2 попавших в корабль снарядов пробил носовую часть линкора; мазут вытекал в море, образуя масляную дорожку, а севший носом корабль снизил скорость до 26 узлов.

Отправив неповрежденный «Принц Ойген» в Атлантику, Лютьенс продолжил поход. Против него выслали все корабли, оказавшиеся поблизости. Среди них были соединение «Н» Соммервилла из Гибралтара и главные силы Флота метрополии — соединение Тови. Уже вечером 24 мая самолеты с авианосца «Викториес» атаковали «Бисмарк», но единственная попавшая торпеда не нанесла заметных повреждений.

При ухудшающейся погоде утром 25 мая крейсера потеряли радиолокационный контакт с «Бисмарком». Англичанам удалось перехватить радиодонесение, которое Лютьенс отправил в Берлин. Правда, германскому адмиралу повезло. По неверным данным радиопеленгации самолет выслали не в ту сторону. Утром 26 мая линейный корабль обнаружили с летающей лодки «Каталина», но торпедоносцы с авианосца «Арк Ройял» соединения «Н» по ошибке атаковали свой крейсер «Шеффилд». Вечером торпедоносцы «Суордфиш» с эскадры вице‑адмирала Соммервилла сбросили множество торпед, одна из которых повредила рули «Бисмарка». Отремонтировать их не удалось.

Тови собирался прекращать погоню, так как на английских кораблях кончалось горючее, но удачное попадание побудило его продолжить охоту. 27 мая англичане атаковали «Бисмарк» большими силами. После неудачных торпедных атак эсминцев 2 линкора и 2 крейсера обстреливали «Бисмарк». К 10 часам линкор, расстреляв боезапас, прекратил огонь, но держался на воде, хотя получил еще попадания снарядов и двух торпед. Тови был вынужден отойти с эскадрой, на которой закончилось горючее. Германское командование приказало оставить и затопить корабль. Крейсер «Дорсетшир», продолжавший обстреливать «Бисмарк», выпустил еще две торпеды. Линейный корабль пошел ко дну в 10 часов 40 минут 27 мая, не исчерпав запаса живучести, несмотря на многочисленные попадания снарядов и торпед.

Последний раз Лютьенса видели утром, когда он со штабом направлялся на мостик. Адмирал казался необычайно спокойным и не отвечал на приветствия подчиненных. Скорее всего, флагман погиб в пламени, которое охватило мостик около 9 часов. Маршалль высказал мнение, что Лютьенс и командир корабля капитан 1‑го ранга Линдеман отказались спасаться. Из состава экипажа «Бисмарка» англичане подняли из воды только 110 человек. 2100 человек погибли, включая весь штаб флота.

О Лютьенсе хорошо отзывались знавшие его. Один из отставных офицеров считал, что его способности были принесены в жертву субординации.