18 мая 1941 года "Бисмарк" и "Принц Ойген" вышли с базы кригсмарине в Готенхафене (ныне польский порт Гдыня).
20 мая "Бисмарк" был замечен со шведского крейсера "Готланд"; в тот же день об эскадре, включавшей два больших корабля, сообщили члены норвежского Сопротивления. 21 мая 1941 года британское Адмиралтейство получило от своего военного атташе в Швеции сообщение о том, что в проливе Каттегат были замечены два больших корабля.
Вечером 23 мая в наполовину перекрытом льдом Датском проливе в густом тумане британские крейсера "Норфолк" и "Саффолк" вступили в визуальный контакт с германской флотилией. "Бисмарк" открыл огонь по "Норфолку". Британские корабли передали сообщение своему командованию и отступили в туман, продолжая следовать за противником по радарам на расстоянии 10-14 миль. После стрельбы на "Бисмарке" отказал носовой радар, поэтому адмирал Лютьенс, командующий операцией "Рейнские учения" приказал "Принцу Ойгену" двигаться впереди "Бисмарка". Для сложности в опознании, на кораблях были закрашены в темный цвет верхние части орудийных башен и закрыты брезентом свастики на палубах.
Линейный крейсер "Худ" и линкор "Принц Уэльский" установили визуальный контакт с немецким соединением рано утром 24 мая. Британские корабли начали бой в 5:52 утра на расстоянии 22 км. Вице-адмирал Холланд, командовавший британской группой, приказал открыть огонь по первому кораблю, ошибочно считая его "Бисмарком". На "Принце Уэльском" поняли ошибку и открыли огонь по второму немецкому кораблю.
В 5:56 шестой залп "Принца Уэльского" принёс попадание: снаряд пробил топливные цистерны, вызвав обильную утечку топлива и поступление воды в цистерны. "Бисмарк" стал оставлять нефтяной след.
Капитан Линдеман предложил начать погоню и потопить "Принца Уэльского", однако адмирал Лютьенс принял решение продолжать поход. На "Бисмарке" 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. 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.
"Норфолк", "Саффолк" и "Принц Уэльский" продолжали преследовать немцев, сообщая об их расположении. Большая часть находившихся в Северной Атлантике британских военных кораблей была привлечена к охоте за "Бисмарком", включая корабли охранения многих конвоев.
Вечером 24 мая адмирал Тови приказал авианосцу "Викториес" сократить дистанцию, и в 22:10 с него стартовали 9 торпедоносцев "Суордфиш". Под сильным 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". 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 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. Самолет вылетел на поиски с базы Лох-Эрне в Северной Ирландии.
Единственным британским соединением, способным замедлить "Бисмарк", было соединение "H" под командованием адмирала Соммервилля, 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" крейсер "Шеффилд".
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". Они добились двух (трёх, по другим источникам) попаданий. Одно из них имело решающие последствия: пытаясь уклониться от торпеды, "Бисмарк" повернул влево, и торпеда вместо пояса брони по правому борту попала в кормовую часть, нанеся 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", 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 на дистанции, достижимой бомбардировочной авиацией Германии, но помощь не была оказана. Инженер-капитан Юнак запросил мостик о разрешении дать хотя бы малый ход по технической необходимости. С мостика ответили: "Ах, делайте, что хотите". Кораблю был дан малый ход. В 8:15 была в последний раз объявлена боевая тревога.
27 мая в 08:00 утра линкоры "Родни" и "Кинг Джордж V" подошли к "Бисмарку" на расстояние 21 морской мили (39 км.). На тот момент видимость была только 10 морских миль (19 км.) 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 Джордж 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 8-дюймовый (203-миллиметровый) снаряд с "Норфолка" поразил главный дальномерный пост на фок-мачте. В 09:08 406-мм снаряд с "Родни", поразил обе носовые башни "Бисмарка". Одновременно другим попаданием разрушило передовой контрольный пункт, убив большинство высших офицеров.
После 44 минут боя тяжёлые орудия "Бисмарка" смолкли. "Родни" подошёл на дальность прямого выстрела (приблизительно 3 км.), в то время как "Кинг Джордж V" продолжал стрельбу с большего расстояния.
Запасы топлива и снарядов британской эскадры были невелики. "Родни", "Кинг Джордж 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.
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 16-дюймовым (406-миллиметровым) снарядом. Неясно также, он ли отдавал приказ покинуть судно 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, перевернувшись вверх килем в 10:39 тем утром. Некоторые из членов команды не делали попытки отплыть подальше, но карабкались на днище и ушли под воду вместе с кораблём. Крейсер "Дорсетшир" и эсминец "Маори" спасли 111 моряков "Бисмарка". Утром 28 мая немецкая подлодка U-74 и немецкое метеорологическое судно "Заксенвальд" подобрали 5 оставшихся в живых.
Всего из 2220 человек команды "Бисмарка" погибло 2104.