“奧斯利亞比亞”號27日晚19時30分至次日淩晨5時，日方又出動37艘魚雷艇和21艘驅逐艦，對殘餘的俄國艦隊實施魚雷攻擊。“西索伊－維利基”號、“海軍上將納西莫夫”號、“納瓦林”號先後被魚雷擊沉，舊式裝甲巡洋艦“莫諾馬赫”號在船頭被魚雷炸掉的情況下，仍頑強地擊沉了向它發射魚雷的日本魚雷艇，後因傷勢嚴重，於淩晨5時由船員自行鑿沉。與此同時，東鄉又悄悄帶領日主力艦隊連夜趕往朝鮮東海岸的鬱陵島附近埋伏下來，等待著繼續趕往海參崴的俄國艦隊。5月28日晨，當涅波加多夫海軍少將指揮的俄國艦隊殘部開到鬱陵島以南60海裏處時，又被等在這裏的由28艘戰艦組成的日本艦隊包圍。上午9時，日軍“三笠”號發出信號，戰列艦一齊開火，俄艦奮力還擊。10時45分，在“尼古拉一世”號驅逐艦艦長斯米爾諾夫的建議下，涅波加多夫含淚下令升起國際法規定的XGE旗號：“我們投降！”10時53分，“尼古拉一世”、“海軍上將阿普拉克辛”、“海軍上將謝尼亞文”、“鷹”4艘戰列艦投降，下午13時左右，涅波加多夫在東鄉的旗艦“三笠”號上簽署了投降書。當天下午15時，載有艦隊司令羅日傑斯特文斯基的“魯莽”號驅逐艦被日軍“細浪”號驅逐艦追上，向日方投降，但其餘的艦艇或進行了抵抗後被擊沉，或成功逃走。“海軍上將烏沙科夫”號上的俄國官兵看到日本的勸降信號後，毅然用炮火做了回答，最後為了不讓這艘用俄國著名海軍將領命名的戰艦落入敵手，艦長下令自行鑿沉；巡洋艦“綠寶石”號在逃往海參崴的途中觸礁，被艦員炸沉，餘下幾艘分別逃往上海、馬尼拉、馬達加斯加等中立國港口，最終逃回海參崴的隻有巡洋艦“金剛石”號和另2艘驅逐艦。至此，對馬海戰結束。
戰爭結果及評價
對馬海戰是20世紀發生的第一場大海戰，也是海戰史上損失最為懸殊的一場海戰。日本獲得空前勝利，俄國波羅的海艦隊、太平洋艦隊幾乎被全殲，一夜之間從海軍強國的位置上跌落下來。包括輔助船在內，俄國艦船損失達20餘萬噸，38艘戰艦中隻有3艘駛到了海參崴，其餘被擊沉21艘，被俘9艘，俄國海軍官兵陣亡4830人，被俘5917人，另有1862人在中立國被扣留。而取得這一戰果的日本僅付出了3艘魚雷艇沉沒、117名官兵陣亡的微弱代價。
從軍事上看來，對馬海戰是人類進入蒸汽鋼鐵時代以來最大的一次海戰，對後世海軍學術的發展產生了深遠、長久的影響。海戰中巨型艦炮強大威力的展示，直接催生了“無畏”號戰列艦和戰列巡洋艦，將大艦巨炮主義推向巔峰；日本海軍戰術——“T”字戰術的應用，奠定了近代海戰的基本作戰形式（“T”字陣）。
從國際形勢來看，對馬海戰直接左右了俄國、日本兩個國家的命運。對俄國來說，對馬海戰的失敗使其喪失了海軍世界第三的地位，同時暴露了其沙俄專製製度的腐朽和反動，引發了1905年俄國革命；對日本來講，通過此戰為3個月後的《樸次茅斯和約》的訂立鋪平了道路，從此日本進入了世界海軍強國的行列，成為遠東地區首屈一指的國家。同時戰爭刺激了日本經濟的發展，加速了以重工業為中心的第二次產業革命的到來，推動了日本壟斷資本和財閥的迅速形成和發展，也最終促生了日本的軍國主義。