俾斯麦号战舰的最后一战于1941年5月26日至5月27日，在法国布雷斯特以西大约560公里处展开。虽然这是一场战舰之间的决定性海战，却没有普遍接受之名称。
该战役丹麦海峡海战的后续，1941年5月24日，“俾斯麦号”和护送她的重巡洋舰尤金亲王号已经击沉了著名的英国战舰胡德号和击伤另1艘战舰威尔士亲王号，迫使它退出战斗。这次战斗后，“俾斯麦号”被皇家海军和皇家空军的船只和飞机追击了两天。最终在5月26日晚上，它的舵机因被鱼雷轰炸机攻击而报废并于次日早上被官兵自行凿沉。
在丹麦海峡海战中，“俾斯麦号”的油箱已经损坏，它意图驶至布雷斯特港口进行维修。她的同伴，重巡洋舰尤金亲王号，留下来继续进一步进入大西洋。行动开始后，“俾斯麦号”，躲避了追击的英军（“威尔士亲王号”和重巡洋舰“诺福克号”和“萨福克号”），在26日下午被1架巡逻的英国飞机发现。它包括4个主要阶段。第1阶段由鱼雷轰炸机从英国航空母舰皇家方舟号进行空袭，鱼雷机的攻击击中了“俾斯麦号”的舵机，使其方向舵无法转向。第2阶段是由英国驱逐舰在夜晚紧钉及骚扰“俾斯麦号”，没有任何船舶受到严重损害。第3阶段是由英国战舰英王乔治五世号和罗德尼号于27日上午在巡洋舰支援下进行攻击。经过约90分钟的战斗，“俾斯麦号”在被炮火击中、鱼雷命中而失去战斗力后打开通海阀自沉。在英国方面，“罗德尼号”被友军炮火误伤和自己的炮管发生爆炸而受损。 英军战舰在撤退前救起了110名“俾斯麦号”的生还者，由于U型潜艇迫近，因此留下几百个生还者。在最后阶段撤出的英国舰只遭到纳粹德国空军的袭击，英军损失了驱逐舰马绍那号。德军舰只及U艇到达沉船现场，并救起了另外5名生还者。
由于决心为在丹麦海峡海战被击沉的“海军的骄傲”胡德号复仇，英国海军派出所有可用的单位追捕“俾斯麦号”。旧式的复仇级战列舰拉米利斯号脱离格陵兰岛东南的护航任务，并责令其拦截“俾斯麦号”以防止它尝试突袭进入北美的海上航线。
“威尔士亲王号”及巡洋舰“诺福克号”和“萨福克号”仍然在该地区的海面和尾随德国船舶。1支英国舰队，包括战列舰“英王乔治五世号”、航空母舰“胜利号”和他们的护航舰队，在“胡德号”未沉没前从斯卡帕湾起航。战列舰“罗德尼号”在24日起脱离护航任务。
在5月24日傍晚，从航空母舰胜利号起飞、隶属第825海军航空中队的一群剑鱼式双翼鱼雷轰炸机在尤金·艾蒙德中校领导下展开攻击。其中1枚鱼雷命中，但只对“俾斯麦号”的装甲造成表面的轻微损害。
一段时间后，“俾斯麦号”仍然在英国长途监视下。在5月25日凌晨3时左右，她趁着对手作锯齿状转向时，“俾斯麦号”作了近270°右舷转向，因此追击者失去该战舰的踪影，从而令该舰能前往在法国的德国海军基地。失去了接触4个小时，但是，或许因为英国的雷达发挥作用，德国人并没有碰到好运气，但至今仍不清楚原因，德军海军上将君特·吕特晏斯向总部发出的长达30分钟的无线电信息被截听，从而使英国有时间知道该舰大约前往的目的地。然而，一个策略的错误出现在当时追击德国人的“英王乔治五世号”船上，它错误地计算“俾斯麦号”的位置，引致追击方向转往过于遥远的北方。 “俾斯麦号”因此能够在5月25日至26日不受阻碍地驶向法国并且受到空中掩护和驱逐舰护航保护。现在，燃料正在成为双方主要关注的问题。
英军在5月26日碰上好运气。上午中旬英国皇家空军空防司令部第209中队在大西洋上空飞行的卡特琳娜水上飞机、从北爱尔兰湖厄恩的皇家空军阿奇代尔城堡基地起飞以飞越多尼戈尔走廊，这是爱尔兰政府秘密提供的1条个小走廊， 该飞机由美国海军后备队观察员伦纳德·B·史密斯少尉驾驶， 发现“俾斯麦号”（通过跟随从舰只损坏油箱漏出的浮油），向英国皇家海军司令部报告了她的位置。从那时起，英军知道德舰的位置，虽然敌人速度显著放缓，庞大的单位希望阻止该舰进入德军飞机的保护范围。目前英国将所有的希望都寄托在H舰队身上，其主要舰只是航空母舰 “皇家方舟号”，第一次世界大战时代战列巡洋舰声望号及巡洋舰谢菲尔德号。海军上将詹姆斯·萨默维尔指挥的这支舰队已从直布罗陀北上。
当日傍晚黄昏，在恶劣的天气条件下，剑鱼式飞机从“皇家方舟号”起飞发动攻击。第一波攻击误将H舰队中奉命接近及骚扰“俾斯麦号”的“谢菲尔德号”当作攻击目标。虽然此事件令机队失去了宝贵的时间，但却证明了这有利于英国——因为攻击“谢菲尔德号”的鱼雷磁雷管无效，换成之后攻击“俾斯麦号”时用的被接触到才爆炸的雷管。尽管天色已晚，他们决定再次尝试。攻击几乎在黑暗中进行，在晚上9时左右，箭鱼式鱼雷轰炸机再次通过ASV II式雷达发现“俾斯麦号”。由约翰·莫法特驾驶的箭鱼式鱼雷轰炸机所投下的1枚鱼雷击中目标，令“俾斯麦号”的方向舵及舵机距离端口15°被卡住。这导致该舰最初只能够在海上不断绕圈。船员进行修复方向舵的努力失败。 俾斯麦号在当时8级风力和海况下试图轮流使用3道传动轴的力量，这导致将船被迫航向“英王乔治五世号”和“罗德尼号”，这2艘本土舰队的战舰，它们从西面追击“俾斯麦号”。 5月26日晚上11时40分，吕特晏斯各向西部集团军的德军指挥部发出信号“舰身未能操作，我们将战斗到最后1枚弹药，元首万岁。”
纵观这天晚上，“俾斯麦号”受到部落级驱逐舰哥萨克号、钖克号、毛利号、祖鲁号及波兰驱逐舰雷电号不断的鱼雷攻击。但没有任何1枚鱼雷击中目标，但他们担心英军的战术不断拖垮德军的士气和深化已经筋疲力尽的船员的疲劳。
1941年5月27日星期二上午天空深沉灰暗，海平面上升及撕裂的风从西北面吹来。因为这场西北风，托维认为迎风进攻“俾斯麦号”是不可行的。他决定向西北行进。敌舰继续向北转向，而他从相反的航路部署到南面大约15,000码（14,000米）。之后从118度方向在25,000码（23,000米）距离外看见“俾斯麦号”。
“罗德尼号”和“英王乔治五世号”并进靠近“俾斯麦号”，俾斯麦号被背后早晨的太阳照亮。而“罗德尼号”开往北面，并将她的炮火攻击“俾斯麦号”的舰舷，而“乔治五世号”在位于另一边。他们在早上9时前开火。“俾斯麦号”还击，但她无法转向和向左舷倾斜的因素严重影响射击精度。而她减速至时速7海里（13千米）也使她成为一个易受攻击的目标，她很快就被击中数次，重巡洋舰“诺福克号（英语：HMS Norfolk (78)）”和“多塞特郡号（英语：HMS Dorsetshire (40)）”亦加入开火。诺福克号一次齐射摧毁该舰的前部操纵站与光学测距仪，杀死许多德军高级军官。大约26分钟，俾斯麦号共计被命中2发8英寸炮弹，5发14英寸炮弹和4发16英寸炮弹，2座前主炮塔，舰桥，前后测距仪相继被毁。这意味着该舰继丧失有效机动能力之后，又丧失了统一的指挥与火控，基本失去了战斗力，甚至逐渐下沉。“罗德尼号”现在以更近距离（约3公里）攻击它的上层建筑，而“乔治五世号”继续开火；她的炮火以更垂直的角度击中“俾斯麦号”，使炮弹更容易穿透至甲板。
“俾斯麦号”的舰旗仍然飘扬。尽管战斗力量不平等，但敌人丝毫没有投降的迹象，所以英国海军不愿驶离“俾斯麦号”。然而，在俾斯麦号明显已经无法到达港口时，“罗德尼号”和“乔治五世号”及驱逐舰被遣回。“诺福克号”已经用磬所有鱼雷，而“多塞特郡号”射出4颗鱼雷可能在相对近距离击中“俾斯麦号”，如此却反而帮倒忙。虽然在战舰的上层建筑已几乎完全遭到摧毁，但她的引擎仍可运作且当时船体仍然健全，因此，为避免被俘，凿沉和弃船的命令被发出。大部分船员落入水中。
“俾斯麦号”在当日早上10时40分沉入水中。
“多塞特郡号”和“毛利号”试图营救幸存者，但U艇警报导致他们离开现场前只能救起110名“俾斯麦号”的水手，原本2,200名“俾斯麦号”水手的大部分留在水中。第2天早上，德军潜艇U-74号（英语：German submarine U-74 (1940)）被派来试图寻找“俾斯麦号”的航海日志（她亦从远处听到下沉的声音），和1艘德国气侯观测船“阿亥茵贝克号（英语：German weather ship Sachsenwald）”救起另外5名生还者。
沉没后，约翰·托维上将说：“‘俾斯麦号’致力抵抗数倍于己的敌人，她表现出最英勇的战斗精神，更无愧于昔日的德意志帝国海军，她下沉时旗帜仍然飘扬。”海军本部委员会发出信息感谢那些参与人仕：
由于不知道该舰之命运，西部集团军的德军指挥部基地，在几个小时内继续向“俾斯麦号”发出信号，直到路透社报导来自英国的消息，该舰已经沉没。在英国，下议院在当日下午较早时分获知俾斯麦号已经沉没。
战斗结束后，英国军舰把“俾斯麦号”的生还者带回到英国。经过漫长的审讯和处理，生还者在战争余下时间成为了战俘。虽然没有英国的军舰在这次行动中被俾斯麦号击沉，但驱逐舰马绍那号在翌日撤退时被纳粹德国空军击沉。
俾斯麦号的沉没对英国政府是一个喜讯。“俾斯麦号”沉没可以分散公众对其地中海舰队在克里特岛战役期间的惨重损失的注意力，其中巡洋舰加尔各答号、斐济号、告士打号、纽约号和驱逐舰灰狗号、赫里福德号、帝国号、朱诺号、凯利号和克什米尔号被击沉。，皇家海军地中海舰队兵力只剩下2艘战列舰同3艘巡洋舰，分别是 航空母舰可畏号、战舰巴勒姆和厌战号、驱逐舰开尔文号和努比亚号、巡洋舰阿贾克斯号、俄里翁号、珀斯号和恶作剧号，来对抗意大利海军的4艘战列舰和11艘巡洋舰。
