海上的雾越来越大。俄战列舰队打算利用浓雾摆脱联合舰队，然而他们现在位于对马海峡最狭窄处，海面宽度仅60多公里，没有多少迂回机动的空间。此外，他们的航速比联合舰队差一大截，摆脱联合舰队的希望非常渺茫。
16时40分，俄战列舰队的4艘战列舰在西逃过程中与巡洋舰队会合，解救了被联合舰队第三至第六战队围攻的巡洋舰队。随后波罗的海舰队4艘战列舰和6艘巡洋舰成单纵队向北逃走，但是没走多远就遇到了联合舰队第一战队。东乡平八郎认为此时俄舰队已无还手之力，不需要用什么“T”字战法了，遂命令第一战队与俄舰队取相同的航向平行行驶，用舷炮攻击俄舰。这样做虽然不容易集中火力，但是却能紧紧盯住俄舰队，防止他们再次逃脱。
联合舰队的攻击从17时持续到19时30分。
18时30分，“亚历山大三世”号燃起大火，全舰浓烟滚滚，舰体急剧倾斜，于19时许沉没，全舰官兵无一人生还。19时20分，被大火烧得只剩下残骸的“苏沃洛夫”号被两枚鱼雷击中后沉没，罗日杰斯特温斯基被转移至驱逐舰“狂暴”号，其余官兵葬身海底。
就在这时，联合舰队“富士”射出的一发305毫米炮弹击中“博罗季诺”号舰首炮塔，“博罗季诺”号连续发生剧烈爆炸，水线附近烈火喷涌，然后迅速沉没，全舰官兵仅一人得以逃生。这些战列舰的沉没让其余俄舰胆战心惊，他们放弃了北上海参崴的念头，拼命向南逃去。
天色已暗，东乡平八郎命令战列舰和巡洋舰停止追击，驶向郁陵岛海域，留下驱逐舰和鱼雷艇继续攻击俄舰。
在白天的战斗中，联合舰队的上千发炮弹命中俄舰，而波罗的海舰队只有144发炮弹命中日舰，其中四分之一的炮弹击中“三笠”。“三笠”虽然受创较重，但是经过抢修迅速恢复了战斗力。波罗的海舰队“苏沃洛夫”号、“亚历山大三世”号、“博罗季诺”号和“奥斯利亚比亚”号等4艘战列舰被击沉，“鹰”号受到重创，精锐丧失殆尽，剩下的战舰中多数受损，很多大炮已无法使用，官兵们疲惫不堪。
但是，夜幕的降临给波罗的海舰队带来了希望。