完成了180度大转向的日本联合舰队，遂处于领先的位置与俄舰队平行前进。紧接着，日舰迅速接近敌舰，转瞬间突然斜插敌前，抢占了“T”字横头阵位，集中火力向打头的“苏沃洛夫”号和“奥斯利亚比亚”号两艘战列舰发起了猛攻。14时20分，“富士”号、“敷岛”号战列舰联合击中了俄“奥斯利亚比亚”号战列舰，该舰整个上层建筑几乎被全部摧毁。不久，该舰舰首吃水线部位又中了两颗305毫米炮弹，一小时后沉入大海。
俄国太平洋第2分舰队的旗舰“苏沃洛夫”号战列舰，则被“三笠”号、“朝日”号两艘战列舰紧紧咬住，从战斗一开始就中弹累累。15时，该舰已被烈火和浓烟所覆裹，整个军舰成了一个燃烧的残骸，已根本无法作战。正在该舰上指挥作战的罗日杰斯特文斯基亦身负重伤，不省人事。“苏沃洛夫”号东倒西歪地退出了战斗。
日军战列舰又将攻击势头转向了下一艘正率分舰队转向正北前进的“亚利山大三世”号战列舰。一阵炮火攻击，击成重伤，退出编队。紧随其后的战列舰“博罗季诺”号又接替为前导舰。此时浓雾骤起，俄国分舰队趁机逃过攻击，暂时免遭灭顶之灾。
就在双方战列舰恶战之时，双方的巡洋舰分队也在主战场南边海域打得不可开交。日军巡洋舰虽在数量上占优势，但俄军巡洋舰却在个头上占优势。双方先是逆航进行火力齐射。待脱离后，日舰又倚仗速度快调过头来追了上去，与俄舰平行前进，再次展开对射。日“浪速”号、“高千穗”号、“笠置”号巡洋舰先后被打坏。由于天气变坏，海上风浪太大，射击精度大受影响。此次战斗，日军巡洋舰只击中了几艘俄国辅助舰船。
16时，海雾越来越大，能见度锐减，双方舰队渐渐脱离接触。俄舰队虽已遭到重创，但仍可能趁机冲出包围。东乡所最担心的也正是这点。眼见得天色渐黑，如果不能确定俄舰队的准确位置，鱼雷艇就无法对俄舰实施夜间进攻，全歼俄国分舰队的意图就会落空。东乡平八郎决定再冒一次险，将主力舰分散，全力搜索。
不久，日第1战队与俄巡洋舰分舰队遭遇，双方展开激烈炮战。东乡一心想的是要钓大鱼，随即命令第1战队放弃该敌，继续去寻找俄主力舰。17时30分左右，联合舰队终于找到了正在向北突围的俄国主力舰，立即向其“亚历山大三世”“博罗季诺”号等战列舰再次发起猛烈炮击。19时，“亚历山大三世”号沉没，全舰官兵无一人生还。10分钟后，“博罗季诺”号被“富士”号发射的一颗重磅炮弹击中前炮塔，引爆了弹药库，全舰官兵仅一人得以逃生，19时30分沉没于大海。
联合舰队对于已被打残的俄旗舰“苏沃洛夫”号仍不肯放过。俄国战列舰装甲极厚，最薄处也有7.75英寸，最厚处则可达16甚至18英寸。在日舰305毫米重炮的轰击下，“苏沃洛夫”号再次受到重创。此时，罗日杰斯特文斯基已将指挥权交给了涅鲍加托夫。不久，“苏沃洛夫”号又连中4颗鱼雷，10分钟后沉没。
东乡平八郎鉴于天色已晚，且俄国分舰队已被打得七零八落，决定将舰队主力撤出战场，北驶朝鲜的郁陵岛海域，准备在那里截击夜战后逃脱出来的残余俄舰，用鱼雷艇、驱逐舰进行夜战。经过一天的混战，日本联合舰队也受到一些损失。旗舰战列舰“三笠”号中弹30多发，官兵伤亡113名，东乡平八郎腿部亦被弹片击伤。不过“三笠”号的速度和作战能力并未受到太大影响。战列舰“敷岛”“富士”“朝日”号，虽都中弹十余发，伤亡官兵数十名，也同“三笠”号一样作战能力未减。与战列舰相比，日巡洋舰的损失则要大些。“笠戡”“浪速”“音羽”“高千穗”号巡洋舰被击成重伤丧失战斗力而退出了战场，“吾妻”号中弹十余发，数门舰炮被毁。
而俄国8艘主力舰已被击沉4艘。20时，涅鲍加托夫在“尼古拉一世”号旗舰上带领着“鹰”“谢尼亚文”“西索伊·维利基”“纳瓦林”“纳西莫夫海军上将”“绿宝石”号等舰，向海参崴逃去。巡洋舰舰队司令恩克维斯特率领“奥列格”“阿芙乐尔”“珍珠”号等舰在向北突围受阻后，掉头向南驶往中立国港口。
在接下来的夜战中，日本鱼雷艇和驱逐舰打得十分漂亮。在首次鱼雷攻击中，俄“纳瓦林”号战列舰就被击中起火，退出编队。翌日2时，该舰在对马岛北部海域沉没，舰上620名官兵全部阵亡。巡洋舰“莫诺马赫”号也在夜战中被日军鱼雷击中船头，舰上官兵在舰体严重倾斜并不断下沉的情况下，仍坚持抗击，打沉了向自己发射鱼雷的日军驱逐舰。28日5时，该舰沉没于对马岛东北海域。同时沉没的还有“纳西莫夫海军上将”号巡洋舰。而日本方面在此次夜战中，亦有3艘舰艇被击沉，5艘受重创。
天明时刻，在涅鲍加托夫率领下继续北逃的舰队中，只剩下“尼古拉一世”“鹰”“谢尼亚文”“阿普拉克辛”“绿石”号了。此时距离海参崴还有300海里，即只有一天多的路程了。然而，就在他们庆幸生还之时，北部海平线上出现了几缕烟柱。东乡平八郎率领的联合舰队主力已从郁陵岛向其退路迅插过来。9时，双方开始炮火互射。10时，俄舰弹药即将告罄，涅鲍加托夫见继续突围已无希望，遂命信号兵向所剩俄舰发出“不敌众，只好投降”的旗语。旗舰“尼古拉一世”号升起表示投降的国际信号，同时悬挂出用桌布制成的白旗和本国旗。
东乡平八郎遂下令停止射击，派驱逐舰将涅鲍加托夫接上了“三笠”号。1905年5月28日13时，双方在“三笠”号签署投降书。
在这次大海战中，俄国太平洋第2分舰队的12艘主力舰中，8艘沉没，4艘被俘；8艘巡洋舰中，3艘被击沉或自沉，1艘遇难，3艘被扣，仅1艘逃走；9艘驱逐舰中，3艘被击沉，1艘被俘，3艘被扣，2艘逃到海参崴。俄军共阵亡官兵5000余名、伤800余人，另有近2000名官兵被中立国扣留。俄国的海军精锐丧失殆尽。俄国海军几乎在一夜之间，便从世界海军第三大国跌落到第六位，美、德、日三国都赶到了它的前面。而日本则仅损失几艘驱逐舰和鱼雷艇，另有几艘巡洋舰被击伤。阵亡与受伤官兵加起来刚700人。
对马海战的结束，宣告了俄国在历时20个月的日俄战争中的最后失败。日军不仅占领了朝鲜，将俄军驱逐出了辽东半岛，而且还把战火烧到了俄国的本土，占领了库页岛（萨哈林岛）。
英、美两国在战争之初支持日本，不过是看到老沙皇野心太大，想借日本之手削弱和扼制一下俄国。但它们也并不想让日本过于强大，成为今后自己称霸世界的重大障碍。于是，英、美、法三国纷纷表示，对于日俄提出的斡旋请求“完全乐意效劳”。
经过了一个月之久的讨价还价之后，日俄两国代表签署了《日本和俄国和平条约》，即《朴次茅斯和约》。其主要内容为：（1）俄国承认朝鲜是日本独占的势力范围；（2）双方同时从中国东北撤军，但被租借的辽东半岛的领土除外；（3）俄国将包括旅顺和大连在内的辽东半岛的租让权，以及由长春至旅顺的南满铁路的租让权转交给日本；（4）以北纬50度线为界，俄国将萨哈林岛南部和邻近该岛的岛屿永久和全部割让给日本；（5）日本臣民有在白令海、鄂霍次克海、日本海的俄国领地的捕鱼权。
就这样，俄国以中国东北和朝鲜作代价，免除了它自己应付的战败赔款；而日本则通过这个条约，将相当于其国土面积76%的殖民地夺到了手中。
日俄战争是世界近代史上黄种人第一次打败白种人，震动了整个世界。落后的亚洲各国纷纷派人赴日本学习，掀起了富国强兵、维新变革的高潮。日本经此一战，一跃而为远东的霸主，加入了世界帝国主义俱乐部。日本经济也借此开始腾飞，完成了自甲午战争后开始的工业革命，步入现代国家之列。