Линейный корабль «Слава» включился в сражение 2 октября, подойдя к Касарскому плесу для обстрела Малого Зунда, куда уже прорвались немецкие эсминцы. Как и в былые времена, линкор создал искусственный крен, чтобы увеличить дальность огня. На позицию у плеса был поставлен также крейсер «Адмирал Макаров». Огонь «Славы» корректировался по радио и ему удалось повредить один немецкий эсминец. Остальные, закрывшись дымзавесами, отошли на запад. Однако, к этому времени противник, уничтожив и захватив 12" батарею на острове Сворбе, прорвался через Ирбенский пролив и ввел в Рижский залив 3-ю эскадру линейных кораблей в составе линейных кораблей «Кениг» и «Кронпринц», двух крейсеров «Кольберг» и «Страсбург», флотилии искателей мин и дивизиона тральщиков. Их задачей было завершить операцию ударом по русским кораблям в Моонзунде.
4 октября в 08.00 русские дозорные эсминцы обнаружили приближающиеся силы противника. Адмирал Бахирев приказал линейным кораблям «Слава» и «Гражданин», стоявшим у острова Шильдау, перейти на рейд Куйваста, а остальным кораблям отойти к северу. К 09.00 «Слава» и «Гражданин» (б. «Цесаревич») перешли на рейд Куйваста, после чего адмирал Бахирев перенес свой флаг на крейсер «Баян». К этому времени уже был ясен состав сил приближающегося противника и его строй. Приближался решающий этап боя двух старых русских почти неразлучных додредноутов «Слава» и «Гражданин-Цесаревич» с двумя немецкими дредноутами. В 09.50 по тральщикам и эсминцам противника открыла огонь русская береговая батарея на острове Моон, однако, вскоре она была подавлена. «Слава», превосходя в дальности огня прочие корабли, находилась севернее «Гражданина» и «Баяна».
В 10.05 немецкие линкоры открыли огонь с дистанции сто тридцать кабельтовых. Почти одновременно «Гражданин» открыл огонь из орудий главного калибра по приближающимся тральщикам противника. Вскоре по немецким тральщикам с предельной дистанции 112,5 кабельтова открыла огонь и «Слава». Третьим залпом «Слава» накрыла тральщики, и они отошли к югу, прикрываясь дымзавесой. В одиннадцать часов, когда рассеялась дымзавеса, «Слава» снова открыла огонь по тральщикам, которые снова отвернули, закрывшись дымзавесой. «Слава» перенесла огонь на немецкие линкоры, но те держались на очень большой дистанции и огонь вскоре пришлось прекратить. В этот момент у мыса Патерностер появились немецкие эсминцы, и «Слава» перенесла огонь на них, накрыв их залпом и заставив отойти.
При этом на «Славе» на пятом залпе вышла из строя носовая башня главного калибра, у которой из-за образовавшегося провисания рамы, перекоса вала и сдавшей двойной броневой шестеренки, невозможно было закрыть замок правого орудия. Предполагая, что повреждение произошло от чрезмерного расширения обтюрирующей подушки, экипаж башни начал ее заменять, но, несмотря на это, замок закрыть не удалось, и башня продолжала бездействовать. (По мнению старшего артиллериста «Славы», это повреждение произошло из-за плохого качества металла и небрежного выполнения заводом ремонтных работ осенью 1916 года). Таким образом, для борьбы с двадцатью 12" орудиями двух немецких линкоров оставалось два орудия того же калибра кормовой башни «Славы» и недальнобойные орудия «Гражданина». Однако, «Слава» продолжала вести огонь, и один ее залп накрыл линкор «Кениг», упав у него за кормой.
«Русские линейные корабли, — пишет немецкий историк Моонзундского боя, — перенесли свой огонь на 3-ю эскадру и очень быстро к ней пристрелялись. Они держались очень умело на границе дальности огня нашей тяжелой корабельной артиллерии (20,4 км). Положение эскадры было крайне неудачным, она не могла уклониться от его огня».
В 11.10 главные силы противника, отойдя к югу, начали обходить русские минные заграждения, оставляя их к западу. Около 12.00, повернув на север, они резко увеличили ход. Обнаружив маневр противника, русские линкоры также повернули на юг. В 12.04 «Гражданин» и «Слава» снова открыли огонь по героическим немецким тральщикам, действующим в течение почти трех часов светлого времени суток под огнем линкоров. Между тем, линейные корабли противника, продолжая большим ходом двигаться на север, быстро сократили невыгодную для них дистанцию и в 12.13 с острых курсовых углов левого борта открыли огонь по русским линкорам. По мере приближения немецких линкоров, «Слава» привела их на курсовой угол 135 50 О (из-за невозможности вести огонь из носовой башни) и открыла по ним огонь из кормовой башни главного калибра. Однако, призовые комендоры флота открытого моря, испытанные Ютландом, быстро пристрелялись по «Славе», взяв ее в 12.20 в вилку, не превышающую 1 кабельтова.