1897年7月28日中午11:00。俄艦奧瑞爾號戰艦向跟蹤的日本巡洋艦首開戰火,而後又在羅茲德文斯基的命令下停火繼續航行。
12:00日軍聯合艦隊的主力抵達衝島海麵。
13:40羅茲德文斯基判斷日軍主力艦應是由西北方前來，於是下令其第1、2戰隊順序轉向左舷8點(90度),如此一來,他的新式戰艦恰好可以橫過日本艦隊的先頭旗艦,得以集中各艦火力猛擊日艦的旗艦。但是此一命令卻未完全貫徹,隻有第一戰隊的四艘戰艦完成了轉向,第二戰隊卻沒有任何動靜,於是俄國艦隊分成了兩列前後並行的隊伍,第一戰隊大約在第二戰隊又前方約6公裏處。
此時日俄海軍的戰鬥序列如下:俄國第二太平洋艦隊：司令．羅茲德文斯基中將第一戰隊:肯尼亞蘇瓦洛夫少將率領。旗下攜戰艦亞麗山大三世、波羅地諾、奧瑞爾。
第二戰隊:司令．福克山少將（已病逝）。戰艦奧斯裏比、希索維立基、納瓦林、納希莫夫將軍。
第三戰隊:司令．諾伯加拖夫少將戰艦尼古拉一世阿普拉克辛(Apraxin)謝尼亞文(Seniavin)烏沙科夫、瓦第米莫諾馬克。
巡洋艦分艦隊:司令．恩克維斯特少將。
第一分艦隊奧列格(巡洋艦分艦隊司令旗艦)阿芙樂爾莫諾馬赫德米特裏?頓斯科伊第二分艦隊金剛石珍珠綠寶石斯維特拉娜驅逐艦10艘輔助船8艘；拖船4艘日本聯合艦隊：指揮官．東鄉平八郎大將第一艦隊:司令．三須宗太郎少將第一戰隊:三笠(日本聯合艦隊指揮官旗艦)、日進(第一艦隊司令旗艦)、朝日、敷島、富士、春日第二戰隊:出雲(第二艦隊及第二戰隊司令旗艦)、磐手、淺間、常磐、八雲、吾妻第三戰隊:司令．出羽重遠中將笠置(第三戰隊司令旗艦)、千歲、新高、音羽驅逐隊:第一驅逐隊(驅逐艦5艘)、第二驅逐隊(驅逐艦4艘)、第三驅逐隊(驅逐艦4艘)、第十四魚雷艇隊(魚雷艇4艘)第二艦隊:司令．上村彥之丞中將第四戰隊:司令．瓜生外吉中將Lang速(第四戰隊司令旗艦)、高千穗、明石、對馬驅逐隊:第四驅逐隊(驅逐艦4艘)、第五驅逐隊(驅逐艦4艘)、第九魚雷艇隊(魚雷艇4艘)、第十魚雷艇隊(魚雷艇3艘)第三艦隊:司令．片岡七郎中將第五戰隊:嚴島(第三艦隊及第五戰隊司令旗艦)、鎮遠號、鬆島、橋立第六戰隊:司令．東鄉正路少將秋津洲(第六戰隊司令旗艦)、須磨、千代田、和泉第七戰隊:扶桑(第七戰隊旗艦)、高雄、築紫、摩耶、島海、宇治第1、10、11、15、16、17、18、20魚雷艇隊(魚雷艇共30艘)。
13:45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。
13:55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,等到橫過之後轉向南方航行。此時的俄軍則嚴密監控日艦的動向。
14:00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。
14:08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。
14:10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。
15:10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,但時而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。
16:45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。
17:30日軍發現俄艦往東北加速逃逸,於是向北追擊。此時的羅茲德文斯基早已換乘驅逐艦畢尼號,而後又換乘驅逐艦畢耳多夫號。
18:00日軍再度捕捉到俄艦的蹤影,並對亞曆山大三世號戰艦展開攻擊。
18:30亞曆山大三世號戰艦多處中彈,最後終被擊沉。
19:00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。
19:20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。
19:30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。此時的俄軍第二與第三太平洋艦隊早已潰不成軍，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。