突破大西洋
俾斯麦号的第一次及唯一一次的任务，是于1941年5月18日实行的莱茵演习行动(Rheinübung)，伴随的有重巡洋舰欧根亲王号。德国另外的主力军舰，包括两艘沙恩霍斯特级战列巡洋舰因机械故障或战损而不能参加该行动；而俾斯麦号的姊妹舰提尔皮茨号还未完成海上测试。舰队由刚瑟·吕特晏斯(Günther Lütjens)海军上将指挥。德军的目标包括：尽量袭扰盟军的船舶以使英军暂缓派出护航运输队，令双方在地中海及北非的势力暂时平均；转移地中海的英国皇家海军力量令隆美尔及其部队由克里特岛入侵利比亚的计划风险减低。英国海军部早已怀疑德军会突破大西洋，而俾斯麦号已经出发的消息亦被Ultra情报机关解密（破解恩尼格玛密码讯息）证实，并且瑞典巡洋舰哥得兰号已发现了俾斯麦号的行踪。在3日后，俾斯麦号于接近卑尔根的挪威格里姆斯塔峡湾(Grimstadfjorden)下锚时被喷火式侦察机发现并拍下了照片。皇家海军的战列舰及其他军舰己作好部署，密切留意俾斯麦号进入大西洋时将会途经的各条航线。
德军先取北航向，再取西北航向，成功平安无事地穿过挪威海，向格陵兰方向前进，驶向冰岛与格陵兰之间的丹麦海峡，即大西洋入口。由于舰队的航线距离北极圈很近，因此英国航空侦察没有发现德国人。由于德国人的主要目标是运输队，吕特晏斯希望能在浓雾的帮助下悄悄地突入大西洋。
1941年5月23日傍晚，德军被配备有雷达的重巡洋舰萨福克号及诺福克号发现，当时两舰正在丹麦海峡巡逻，期待德军的突破。对方舰只在短暂交火后，英军巡洋舰自知不是对手，被迫释放烟雾并退往德军的射程范围外，以雷达尾随德军。同时，俾斯麦号主炮射击产生的巨大震动导致桅杆上的凝结冰脱落砸坏其雷达，迫使吕特晏斯命令欧根亲王号行驶至舰队前方，为舰队提供前方的雷达搜索。该决定在之后使英军分不清德军舰只，因为两艘德舰自身的轮廓十分相似，舰身喷涂的伪装也一样。
丹麦海战
1941年5月24日，星期日，凌晨5时，德军舰队准备离开丹麦海峡，欧根亲王号的声纳探测到在左舷处有2艘未判明舰只。德舰立即做好了战斗准备。英国拦截舰队包括刚完工的威尔士亲王号战列舰及胡德号战列巡洋舰，由兰斯洛特·霍兰海军中将指挥。英国编队由胡德号打头阵，威尔士亲王号殿后。胡德号被视为皇家海军的骄傲，是当时世界上最大的战列巡洋舰，但其弱点是甲板装甲相当薄弱。霍兰中将命令己方舰首对准德舰，以图尽快缩短双方距离。5时49分，霍兰命令向德军领头舰欧根亲王号开火，因为英国人误将欧根亲王号当成了俾斯麦号。胡德号在5时52分主炮抢先开火，威尔士亲王号随后也向欧根亲王号开火。直到打了2轮齐射后，霍兰才发现攻击的目标是错误的，立刻命令将火力转向俾斯麦号，但已浪费了很多时间，并造成了一些混乱。当时双方距离大约为12.5英里，即10.9海里左右。
威尔士亲王号战列舰
5时55分，德国编队开火还击，集中火力攻击胡德号。由于英舰的错误判断，所以一开始炮击时并未命中德舰。战场形势对吕特晏斯有利——由于英国战舰舰首正对德舰，胡德号和威尔士亲王号分别只能使用四门和六门前主炮，而德国军舰却能使用全部火力向英国人还击。此时俾斯麦号发射第三次齐射，命中胡德号中部，造成救生艇甲板产生火灾，并迅速蔓延。霍兰中将此时意识到攻击的目标是错误的，于是命令左舵二十度，以发挥全部火力攻击俾斯麦。6时整，胡德号刚完成转向，俾斯麦号进行第五次齐射，一发（一说2发）炮弹贯穿了胡德号的薄弱的甲板装甲，引爆了副弹药库，而后波及主弹药库。胡德号瞬间折成两半，迅速沉入海中，包括霍兰中将在内的1418名官兵阵亡，仅有3人获救。威尔士亲王号舰桥遭一发15英寸炮弹击中，除舰长与一信号兵外所有舰桥人员阵亡。另外各处遭4发15英寸炮弹及4发8英寸炮弹击中，舰体受重创，数门主炮因故障与战损而无法发射，在重伤之下失去战斗力，被迫退出战斗。
俾斯麦舰中弹三发，位于舰艏的二号燃料槽受损破裂；左舷被命中一发水中弹（来自威尔士亲王号），导致左舷一座锅炉被击毁，2号发电机舱被水淹没，舰体首倾3°左倾9°，右侧螺旋桨尖出水，航速下降至26节。为日后被围歼埋下了祸根。
追击
英国人很快确定了俾斯麦号的位置，并集结了大量的军舰前来围击，包括约翰·托维上将指挥的本土舰队及詹姆斯·索默维尔中将指挥的地中海H舰队。1941年5月24日，俾斯麦号遭到从胜利号航空母舰上起飞的剑鱼式鱼雷机的攻击，被命中1枚鱼雷，造成轻微损伤。随后欧根亲王号继续前进，进入大西洋，俾斯麦号则转向前往法国圣纳泽尔以修理损伤。其后英国人差点失去了同俾斯麦号的接触，但舰长吕钦斯上将的错误决定（吕钦斯向本土发电报夸赞自己长达半小时，该电报被英军截获）使英军再次发现了俾斯麦号。
俾斯麦号战列舰
覆灭
1941年5月26日，俾斯麦号再遭皇家方舟号航空母舰的“剑鱼”式鱼雷轰炸机空袭，被3枚鱼雷击中，其中1枚击中舰尾，沉重的结构受到损坏后向下压迫到舵机，导致俾斯麦号的舵角卡死在15度。这使俾斯麦号已无法回避英国舰队的攻击（在海流和风的影响下，俾斯麦只能向北北西方向前进，而这是英军的包围网中央），速度再度降低，而且很难控制航向。[9]
俾斯麦号战列舰海底残骸
1941年5月27日晨，英军的主力追击舰队首先赶到，英王乔治五世号与罗德尼号战列舰对操纵失灵的“俾斯麦”号进行攻击。于八点左右俾斯麦号进入战列舰主炮射程，两舰迅速接近，并用其16英寸及14英寸主炮轰击俾斯麦号。俾斯麦前后火控站先后被击破，在20分钟内舰艏的两门主炮同时被罗德尼的一枚炮弹报废。俾斯麦号中弹26枚，和1枚鱼雷（此枚鱼雷为历史上唯一的战列舰对战列舰鱼雷名中）。最后的一枚16英寸炮弹是在极近的距离发射的（大约3,000码）。在俾斯麦已无力还击的情况下，英国多塞特郡号重巡洋舰随后在近距离发射了3枚鱼雷，全部命中。10时36分，俾斯麦号沉没于布雷斯特以西400海里水域。英军指挥官托维上将在战斗后说：“就像一战时的德意志帝国海军一样，俾斯麦号进行了一次最勇敢的战斗，抵抗着数倍于己的敌人，以至于在她沉没时她的旗帜还在飞扬。”
从表面来看，俾斯麦号以一敌六十，击沉胡德，击伤威尔士亲王等多舰。是一个失败的成功者，也证明了德国巨舰的辉煌。但从深层角度来讲，这是英德双方海军实力悬殊所至，从一开始就没有为俾舰提供充足的护航船只，用赌徒心态来打仗是不可行的，只有自身强大才能战胜一切！
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