1905年5月26日夜間，俄艦隊通過日方第1道海上警戒線。日方偵察艦在遠距離上進行不間斷地跟蹤監視，並及時用無線電將情況報告東鄉。因此東鄉對俄艦隊的實力、航向、航速和隊形了如指掌。27日晨，羅日傑斯特溫斯基發現了日本哨艦的行動，心情十分緊張。當時俄艦隊成行軍隊形：第1、第2裝甲艦大隊在右翼，第3裝甲艦大隊和巡洋艦大隊在左翼，運輸船隊居中。11時後，羅日傑斯特溫斯基命令艦隊成戰鬥隊形：右翼2個大隊向左靠攏，開到左翼第3大隊前麵，全艦隊成單排一列式(縱隊)。各艦航速不一，司令官沒有明確規定慢的加速，快的減速，結果造成大混亂。12時許，羅日傑斯特溫斯基忽然心血來潮，判斷日本艦隊可能以橫隊隊形向他攻擊，因此又命令俄艦隊成橫隊隊形。於是艦隊開始進行複雜的機動動作。此時，羅日傑斯特溫斯基顯然由於擔心其戰鬥隊形過早被敵人發現，忽然又下令全艦隊恢複行軍隊形，再次引起大混亂。
13時40分左右，東鄉艦隊主力在右前方出現，成單排一列式，企圖截斷俄艦隊的航線。臨戰前，東鄉對全艦隊發出信號：“皇國興廢，在此一戰，諸位尤須奮發努力。”羅日傑斯特溫斯基再次下令成戰鬥隊形，但已經來不及了。東鄉截斷了俄艦隊的航線，並在距敵35~38鏈的海域向左轉彎，劃了一個“U”字形(日本戰史稱之為“敵前大回頭”)。轉彎時，日本艦隊處於俄艦火力威脅之下，而且相當一部分艦艇無法回擊(視線和射界被己方艦艇遮蔽)。這個動作在當時海軍戰術上是違反常規的。但這時俄艦隊正處於變換隊形的混亂之中，羅日傑斯特溫斯基雖然下令開炮，結果形成盲目射擊，浪費彈藥，並且喪失了戰機。日本艦隊完成了轉彎之後，首先集中火力猛打俄艦隊的旗艦，海戰開始半小時後，羅日傑斯特溫斯基的旗艦“蘇沃洛夫號”被迫退出戰鬥，羅日傑斯特溫斯基本人負重傷(後被俘投降)。其他幾艘旗艦也相繼被擊沉擊傷。俄艦隊失去指揮，陷入一片混亂。
俄艦隊力圖擺脫截擊的敵艦，但因為航速慢，沒有得逞。日艦則充分發揮其航速快的優勢，迅速機動，占領俄艦隊前進方向的有利位置，猛烈炮擊。雙方在煙霧迷漫之中進行了一場混戰。俄被擊沉擊傷多艘。16時許，海上起霧，東鄉裝甲艦隊與俄裝甲艦隊一度脫離接觸，東鄉向北轉移。但日本巡洋艦隊和俄巡洋艦隊正在偏南的海域進行激戰。18時半，俄裝甲艦隊開往該海域參戰。直到此時，涅博加托夫才接管指揮權，並下令艦隊繼續北進。
當天夜間，東鄉又出動37艘魚雷艇和21艘驅擊艦，對殘餘的俄艦隊實施魚雷攻擊。28日晨5時許，涅博加托夫率領僅存的少數艦隻向海參崴方向逃跑。9時許遭到日本艦隊圍攻，涅博加托夫始則懸白旗、繼而懸日本國旗投降。
這次海戰，俄太平洋第2、第3分艦隊除3艘逃往海參崴之外，其餘全軍覆沒(包括擊沉、被俘和被中立國扣留)，艦艇損失總計達27萬噸(比後來第一次世界大戰中著名的日特蘭海戰雙方損失的總和還大)。人員陣亡4830人，被俘5917人(不包括受傷和在外國港口被扣留者)。日方隻損失魚雷艇3艘，人員陣亡僅117人，傷587人。
當時沙俄因國內爆發1905年革命，無心再戰；日本由於戰爭消耗，已筋疲力盡，也急欲結束戰爭。美國擔心日本過分強大，就從中調停。１９０５年9月5日，日俄兩國在美國簽訂了《樸次茅斯和約》，背著中國，擅自在中國東北劃分勢力範圍。根據條約，沙俄將過去所霸占我國的庫頁島南半部（北緯５０度以南）及其附近一切島嶼割讓給日本，將旅順、大連及附近領土領海的租借權讓給日本，沙俄還承認朝鮮為日本的保護國。條約簽訂後，日、俄兩國立刻逼迫清朝政府給與承認。１９０５年１２月，在日本的壓力下，清朝政府與日本簽訂了《中日會議東三省事宜條約》，除了接受日、俄《樸次茅斯和約》中的所有規定外，還額外給日本以某些權益。
日俄戰爭期間，中國東北是雙方陸上交鋒的戰場，當地人民蒙受極大的災難，生命財產遭到空前的浩劫。旅順的工廠被炸毀，房屋被炸毀，就連寺廟也未能幸免。耕牛被搶走，糧食被搶光，流離失所的難民有幾十萬人。日、俄都強拉中國老百姓為他們運送彈藥，服勞役，許多人冤死在兩國侵略者的炮火之下，更有成批的中國平民被日俄雙方當作間諜，慘遭殺害。這場戰爭不僅是對中國領土和主權的粗暴踐踏，而且使中國東北人民在戰爭中遭受了巨大的損失和人身傷亡。
此外，這次戰爭很大刺激了中國知識分子的神經，讓他們從中看出專製國（沙俄）永遠無法戰勝立憲國（日本）的道理，從而促進了中國的立憲民權運動，客觀上加速了清王朝的滅亡。