W tej sytuacji adm. Iachino pozostawił do ochrony uszkodzonego krążownika 2 ciężkie krążowniki i 6 niszczycieli, pozostałe okręty skierowały się do bazy. W nocy do pozostawionego włoskiego zespołu zbliżyły się okręty brytyjskie. Ogniem artylerii i atakami torpedowymi zatopiły 3 ciężkie krążowniki „Fiume”, „Zara”, „Pola” oraz 3 niszczyciele. Brytyjczycy w perfekcyjny sposób wykorzystali radar, którego nie posiadali Włosi. Znając, mimo nocy, położenie okrętów przeciwnika, mogli precyzyjnie sterować swoim ogniem artyleryjskim, Włosi zmuszeni byli do manewrowania i strzelania na oślep.
Wynik bitwy Włosi stracili 3 ciężkie krążowniki i 3 niszczyciele oraz 2300 zabitych. Uszkodzony został 1 okręt liniowy. Brytyjskie straty wyniosły: 4 lekkie krążowniki lekko uszkodzone, 1 samolot torpedowy zniszczony oraz 3 zabitych.
Skutki bitwy Porażka floty włoskiej w bitwie koło przylądka Matapan poprawiła znacznie pozycję floty brytyjskiej na Morzu Śródziemnym. Przejęła ona inicjatywę, która pozwoliła w obliczu ofensywy niemiecko-włoskiej w Afryce Północnej paraliżować zaopatrzenie drogą morską wojsk sił Osi.