1點45分，雙方都可以目視到敵艦，可是日艦卻出乎羅茲德文斯基意料地出現在俄艦的東北方，於是羅茲德文斯基又下令俄艦隊成一縱隊前進。俄國艦隊由於隊形變換不良，造成一陣混亂，第二戰隊旗艦奧斯裏比號甚至被迫停止前進，以免與其他艦隻相撞。東鄉平八郎在旗艦日本三笠號戰列艦上升起了Ｚ字旗，下達了『皇國興廢在此一戰，各員一層奮勵努力』的昭示。此時，在俄國炮火的射程之外，東鄉先率領艦隊橫過俄艦的正前方後向南進逼。隨後東鄉下令各艦依次轉向左舷16點(180度Ｕ型拐彎)。此舉令日本軍官與俄國艦隊都大吃一驚，因為如此一來，轉向後的艦隻會妨礙未轉向軍艦的射擊，而且那一個轉向點，使正在轉向的日艦成為俄艦的靶子。 2點零8分，俄艦首先開火，日艦仍依次轉向而受到俄艦的攻擊，淺間號裝甲巡洋艦艦尾中彈3發，舵機轉動失靈，被迫退出了戰鬥行列，其它日艦亦受到不同程度的損傷。2點10分，日本艦隊大部分已轉向完成，並開始用猛烈的炮火予以回擊，日艦前四艘集中攻擊俄軍第一戰隊旗艦肯尼亞蘇洛瓦夫號，後六艘攻擊俄國第二戰隊旗艦奧斯裏比號。此時的俄軍艦隊由於旗艦遭到攻擊，使得其他戰隊陣腳大亂，奧斯裏比號失去動力全艦籠罩在大火之中。而肯尼亞蘇瓦洛夫號舵機失靈，向左舷傾斜8度。羅茲德文斯基中將本身亦受傷，頭部、背部與腳都有受傷，眾人將他移到指揮塔，此時的羅茲德文斯基已陷入昏迷狀態。日軍利用改良的下瀨火藥，殺傷力大增，加上準確的命中率，俄艦損失慘重。3點10分，奧斯裏比號戰艦就在俄國官兵的眼前沉沒。此後的一段時間，日本艦隊一度失去俄艦的蹤影，但重新捕捉到俄艦主力。至於早先擔任斥候任務的日軍第3、4、5、6 戰隊，則集中全力攻擊俄國的巡洋艦、驅逐艦及補給艦。4點15分，日本鈴木貫太郎的驅逐艦隊攻擊受傷的肯尼亞蘇瓦洛夫號戰艦，使其傾斜增為10度。之後東鄉的艦隊又失去俄艦蹤影。 5點半，日軍發現俄艦往東北加速逃逸，於是向北追擊。6點半，亞曆山大三世號戰艦多處中彈，最後終被擊沉。7點，日本富士號戰列艦命中俄軍波羅地諾號戰艦，隻見轟然一聲，波羅地諾號的鍋爐發生爆炸，頃刻翻沉。7點20分，俄軍旗艦肯尼亞蘇瓦洛夫號因多處的損傷，航速減慢，且艦上隻剩一門75公厘的尾炮尚在還擊，最後在日軍魚雷快艇隊的包圍及攻擊之下，終於沉沒。7點半，由於黑夜已經降臨，東鄉將受傷殘存的俄艦委托由魚雷艇繼續追擊並加以擊沉，其餘日艦全部撤離戰區，傳令各艦次日於鬱陵島集合。而此時的俄軍，由諾伯加托夫少將繼續率領俄艦尼古拉一世號、奧瑞爾號、阿普拉克辛號、謝尼亞文號、希索維立基號、納瓦林號、納希莫夫將軍號、及巡洋艦綠寶石號向海參崴方向逃逸，但日本魚雷艇卻毫不放鬆。當天的天氣並不是很好，而日軍的魚雷艇在波濤洶湧中奮力駛近俄艦攻擊，納瓦林號被魚雷擊中而沉沒，納希莫夫將軍號及希索維立基號亦被魚雷擊中，受重傷卻不願投降，駛到對馬島擱淺自沉。此時的俄軍早已潰不成軍，而安克威斯特少將在入夜前早已脫離戰場，率領奧爾濟號巡洋艦、阿芙樂爾號巡洋艦和珍珠號航向南方，最後駛到馬尼拉被解除武裝。5月28日上午，日本聯合艦隊於頃竹島南方約35公裏處包圍殘存俄艦，諾伯加托夫少將決定投降，而俄國巡洋艦綠寶石號則高速逃走，最後在亞伯力亞水域失事。下午3點半，日軍驅逐艦漣號在鬱陵島西南方約75公裏處攔截到俄軍驅逐艦畢爾多夫號，俘虜了俄艦對司令羅茲德文斯基中將。6點的時候，烏沙科夫號被搜索戰場的日本第2戰隊發現，日艦命令俄艦降旗投降。烏沙科夫號立即升起戰旗並用炮火來回答了日艦的命令，它立刻受到日艦集中攻擊，被嚴重擊傷後自沉了。至於其它俄艦，或是被擊沉，或是逃到中立港被解除武裝，最後隻剩下巡洋艦金剛石號及2艘驅逐艦到達海參崴。1905. 5. 28.清晨7時許，海戰中最後一艘戰艦頓斯科伊號在鬱陵島附近被幸存艦員鑿沉在深水裏。對馬海峽之役至此結束。
戰後俄軍的士氣完全崩潰，不久就與日本和談，日本如其所願地得到了一切。對日本而言，此一戰爭最重要的意義，是日本海軍在世界上的地位僅次於英美，成為第三強海軍國家，而東鄉平八郎大將也就成為日本軍民心目中的民族英雄，甚至以『戰神』、『守護神』之名來形容東鄉在日俄戰爭中的成就。這一連串的信心，也奠定日後日本海軍造艦發展，以至於向太平洋擴張的雄心。