转弯时，日本舰队处于俄舰火力威胁之下，而且相当一部分舰艇无法回击因为视线和射界被己方舰艇遮蔽。这个动作在当时海军战术上是违反常规的。
但这时俄国舰队正处于变换队形的混乱之中，罗日杰斯特温斯基虽然下令开炮，结果形成盲目射击，浪费弹药，并且丧失了战机。罗日杰斯特温斯基开始吞下自己种下的苦果。
日本舰队完成了转弯之后，首先集中火力猛攻俄国舰队的旗舰，海战开始半小时后，罗日杰斯特温斯基的旗舰“苏沃洛夫号”被迫退出战斗，罗日杰斯特温斯基本人负重伤在战后更是被俘投降。
其他几艘相关纵队的旗舰也相继被击沉击伤。俄国舰队失去指挥，陷入一片混乱。失去指挥的俄国舰队各自为战，力图摆脱截击的敌舰，但因为航速慢，没有得逞。
日舰则充分发挥其航速快的优势，迅速机动，占领俄国舰队前进方向的有利位置，猛烈炮击。双方在烟雾迷漫之中进行了一场混战。俄舰被击沉击伤多艘。
16时许，海上起雾，东乡装甲舰队与俄国装甲舰队一度脱离接触，东乡向北转移。但日本巡洋舰队和俄国巡洋舰队正在偏南的海域进行激战。
18时半，俄国装甲舰队开往该海域参战。直到此时，副司令继任者涅博加托夫才确定副司令已经死去，由他接管指挥权，并下令舰队继续北进。
当天夜间，东乡又出动37艘鱼雷艇和21艘驱击舰，对残余的俄国舰队实施鱼雷攻击。
28日晨5时许，涅博加托夫率领仅存的少数舰只向海参崴方向逃跑。9时许遭到日本舰队围攻，涅博加托夫始则悬白旗、继而悬日本国旗投降。
这次海战，花费半年多时间绕半个地球来到此地的俄国太平洋第2、第3分舰队，除3艘逃往海参崴之外，其余全军覆没，包括击沉、被俘和被中立国扣留，舰艇损失总计达到27万吨，比起原历史中第一次世界大战中著名的日德兰海战双方损失的总和还大。
当然，日德兰投入的战舰先进程度是这场海战不能比拟的，俄罗斯大量老旧的战舰存在让不通海事的尼古拉盲目自信，这场海战彻底让尼古拉知道军舰技术的代差有多么可怕。
在人员上，俄罗斯海军阵亡4830人，被俘5917人，这还不包括受伤和在外国港口被扣留者。一场海战能够损失上万海军，可以说俄罗斯要是不要回被俘的人员，想要恢复自身的海军实力更是难上加难，培养海军可比牲畜的陆军要难上许多。
日本在这次庞大的海战中，只损失鱼雷艇3艘，人员阵亡仅117人，伤587人。
奉天会战没有决出胜负，俄罗斯依然占据着奉天，对日本陆军造成不小的伤亡。可对马海战的惨败，依然让世界各国知晓，除非尼古拉失心疯，真要动员百万陆军压死日本，要不然日俄战争已经进入尾声，这场列强之间的战争在实质性上的结束了。