Пассивное маневрирование вице-адмирала Рожественского в первые полчаса решающего боя и низкая организация эскадренного огня привели к большим повреждениям на русских кораблях и к потере управления эскадрой, что фактически означало её поражение. После выхода из строя флагманских броненосцев «Император Александр III» и «Бородино», действуя в духе взаимовыручки и полученных ранее приказов, доблестно сражались, но вновь подставляли голову эскадры под сосредоточенный огонь противника.
К 15 час. «Сисой Великий» и «Наварин» имели пробоины вблизи ватерлинии, «Адмирал Нахимов» лишился кормового дальномера. На «Наварине» был смертельно ранен командир — капитан 1-го ранга Б. А. Фитингоф. Из японских кораблей подводные пробоины получил крейсер «Асама», присоединившийся к отряду адмирала Того и сохранивший боеспособность. Оставался в строю и «Микаса», в который к этому времени попало 25 снарядов крупного и среднего калибров.
Русские крейсера вместе с транспортами в начале боя главных сил уклонились вправо и вскоре подверглись нападению японских крейсерских отрядов, обходивших русскую эскадру с юга. Первым вступил в бой около 14 час. 20 мин. «Владимир Мономах», повредивший и заставивший отступить японский крейсер «Идзуми». В 14 час. 40 мин. контр-адмирал О. А. Энквист, видя замешательство в колонне своих броненосцев, повернул было с «Олегом» и «Авророй» им на поддержку, но был вынужден отменить своё решение из-за появления четырёх крейсеров вице-адмирала Дева, атаковавших транспорты. Через несколько минут «Олег», «Аврора», «Дмитрий Донской», «Владимир Мономах» и крейсера разведывательного отряда «Светлана» (брейд-вымпел капитана 1-го ранга С.П. Шеина), «Алмаз» и «Урал» вступили в бой с восемью крейсерами адмиралов Дева и Уриу.
Японские малые крейсера не сближались менее чем на 35–40 кб, а стрельба их на качке не отличалась точностью. Однако русские крейсера, транспорты и миноносцы 2-го отделения сбились в кучу и мешали друг другу. Среди них разрывались японские снаряды, временами находя себе жертвы. Около 15 час. 8" снаряд поразил эскадренный миноносец «Блестящий», убив его командира капитана 2-го ранга А.С. Шамова и сделав опасную подводную пробоину. Адмирал О.А. Энквист поднял сигнал «крейсерам быть в строе кильватера», но этот приказ удалось выполнить не ранее 15 час. 30 мин. 63
К 15 час. 40 мин. командир «Бородино» П.И. Серебренников вновь вывел главные силы эскадры на курс норд-ост 23°. За ним следовали «Орёл» и «Император Александр III». В кильватер последнему собрался вступить старший из оставшихся в строю флагманов — контр-адмирал Небогатов. Его «Император Николай I», ведя за собой три броненосца береговой обороны, обходил с левого борта растянувшиеся броненосцы II отряда — «Сисой Великий», «Наварин» и «Адмирал Нахимов». В это время слева из мглы показались 5 крейсеров Камимуры, за которыми следовал отряд адмирала Того. Последовал 35-минутный бой на дистанциях 30–35 кб. При этом японцы вновь обгоняли русскую эскадру, а между сражавшимися колоннами зигзагами двигался подбитый «Князь Суворов».
В этом бою вновь сказалось превосходство японцев в организации эскадренной стрельбы. Очередные попадания снарядов вывели из строя все башни броненосца «Князь Суворов». В боевой рубке «Бородино» был тяжело ранен командир, и броненосец, а за ним и всю эскадру повёл старший офицер капитан 2-го ранга Д.С. Макаров. На «Орле» оторвало часть ствола левого 12" орудия носовой башни. В батарею «Сисоя Великого» попал 8" снаряд, вызвавший пожар, взрывы 6" патронов и отравление газами личного состава. «Сисой Великий» вышел из строя для тушения пожара.
Из японских кораблей пострадали от русских тяжёлых снарядов «Микаса» и «Ниссин», где в боевой рубке был ранен вице-адмирал Мису. В правом 12" орудии носовой башни броненосца «Сикисима» преждевременно разорвался собственный снаряд, разрушил орудие и временно вывел из строя саму башню. Японские большие корабли безрезультатно стреляли минами Уайтхеда, а русские отразили попытку истребителей противника атаковать «Князь Суворов».