1897年7月28日中午11:00。俄舰奥瑞尔号战舰向跟踪的日本巡洋舰首开战火而后又在罗兹德文斯基的命令下停火继续航行。
12:00日军联合舰队的主力抵达冲岛海面。
13:40罗兹德文斯基判断日军主力舰应是由西北方前来，于是下令其第1、2战队顺序转向左舷8点(90度)如此一来他的新式战舰恰好可以横过日本舰队的先头旗舰得以集中各舰火力猛击日舰的旗舰。但是此一命令却未完全贯彻只有第一战队的四艘战舰完成了转向第二战队却没有任何动静于是俄国舰队分成了两列前后并行的队伍第一战队大约在第二战队又前方约6公里处。
此时日俄海军的战斗序列如下:
俄国第二太平洋舰队：司令．罗兹德文斯基中将
第一战队:肯尼亚苏瓦洛夫少将率领。旗下携战舰亚丽山大三世、波罗地诺、奥瑞尔。
第二战队:司令．福克山少将（已病逝）。战舰奥斯里比、希索维立基、纳瓦林、纳希莫夫将军。
第三战队:司令．诺伯加拖夫少将战舰尼古拉一世阿普拉克辛(Apraxin)谢尼亚文(Seniavin)乌沙科夫、瓦第米莫诺马克。
巡洋舰分舰队:司令．恩克维斯特少将。
第一分舰队奥列格(巡洋舰分舰队司令旗舰)阿芙乐尔莫诺马赫德米特里•顿斯科伊
第二分舰队金刚石珍珠绿宝石斯维特拉娜
驱逐舰10艘
辅助船8艘；拖船4艘
日本联合舰队：指挥官．东乡平八郎大将
第一舰队:司令．三须宗太郎少将
第一战队:三笠(日本联合舰队指挥官旗舰)、日进(第一舰队司令旗舰)、朝日、敷岛、富士、春日
第二战队:出云(第二舰队及第二战队司令旗舰)、磐手、浅间、常磐、八云、吾妻
第三战队:司令．出羽重远中将笠置(第三战队司令旗舰)、千岁、新高、音羽
驱逐队:第一驱逐队(驱逐舰5艘)、第二驱逐队(驱逐舰4艘)、第三驱逐队(驱逐舰4艘)、第十四鱼雷艇队(鱼雷艇4艘)
第二舰队:司令．上村彦之丞中将
第四战队:司令．瓜生外吉中将浪速(第四战队司令旗舰)、高千穗、明石、对马
驱逐队:第四驱逐队(驱逐舰4艘)、第五驱逐队(驱逐舰4艘)、第九鱼雷艇队(鱼雷艇4艘)、第十鱼雷艇队(鱼雷艇3艘)
第三舰队:司令．片冈七郎中将
第五战队:严岛(第三舰队及第五战队司令旗舰)、镇远号、松岛、桥立
第六战队:司令．东乡正路少将秋津洲(第六战队司令旗舰)、须磨、千代田、和泉
第七战队:扶桑(第七战队旗舰)、高雄、筑紫、摩耶、岛海、宇治
第1、10、11、15、16、17、18、20鱼雷艇队(鱼雷艇共30艘)。
13:45双方都可以目视到敌舰可是日舰却出乎罗兹德文斯基意料地出现在俄舰的东北方于是罗兹德文斯基又下令俄舰队成一纵队前进。俄国舰队由于队形变换不良造成一阵混乱第二战队旗舰奥斯里比号甚至被迫停止前进以免与其他舰只相撞。
13:55东乡平八郎在旗舰日本三笠号战列舰上升起了Ｚ字旗下达了“皇国兴废在此一战各员一层奋励努力”的昭示。此时在俄国炮火的射程之外东乡先率领舰队横过俄舰的正前方等到横过之后转向南方航行。此时的俄军则严密监控日舰的动向。
14:00东乡下令各舰依次转向左舷16点(180度Ｕ型拐弯)。此举令日本军官与俄国舰队都大吃一惊因为如此一来转向后的舰只会妨碍未转向军舰的射击而且那一个转向点使正在转向的日舰成为俄舰的靶子。
14:08俄舰首先开火日舰仍依次转向而受到俄舰的攻击浅间号装甲巡洋舰舰尾中弹3发舵机转动失灵被迫退出了战斗行列其它日舰亦受到不同程度的损伤。
14:10日本舰队大部分已转向完成并开始用猛烈的炮火予以回击日舰前四艘集中攻击俄军第一战队旗舰肯尼亚苏洛瓦夫号后六艘攻击俄国第二战队旗舰奥斯里比号。此时的俄军舰队由于旗舰遭到攻击使得其他战队阵脚大乱奥斯里比号失去动力全舰笼罩在大火之中。而肯尼亚苏瓦洛夫号舵机失灵向左舷倾斜8度。罗兹德文斯基中将本身亦受伤头部、背部与脚都有受伤众人将他移到指挥塔此时的罗兹德文斯基已陷入昏迷状态。日军利用改良的下濑火药杀伤力大增加上准确的命中率俄舰损失惨重。
15:10奥斯里比号战舰就在俄国官兵的眼前沉没。此后的一段时间日本舰队一度失去俄舰的踪影但时而重新捕捉到俄舰主力。至于早先担任斥候任务的日军第3、4、5、6战队则集中全力攻击俄国的巡洋舰、驱逐舰及补给舰。
16:45日本铃木贯太郎的驱逐舰队攻击受伤的肯尼亚苏瓦洛夫号战舰使其倾斜增为10度。之后东乡的舰队又失去俄舰踪影。
17:30日军发现俄舰往东北加速逃逸于是向北追击。此时的罗兹德文斯基早已换乘驱逐舰毕尼号而后又换乘驱逐舰毕耳多夫号。
18:00日军再度捕捉到俄舰的踪影并对亚历山大三世号战舰展开攻击。
18:30亚历山大三世号战舰多处中弹最后终被击沉。
19:00日本富士号战列舰命中俄军波罗地诺号战舰，只见轰然一声波罗地诺号的锅炉发生爆炸，顷刻翻沉。
19:20俄军旗舰肯尼亚苏瓦洛夫号因多处的损伤航速减慢且舰上只剩一门75公厘的尾炮尚在还击最后在日军鱼雷快艇队的包围及攻击之下终于沉没。
19:30由于黑夜已经降临东乡将受伤残存的俄舰委托由鱼雷艇继续追击并加以击沉其余日舰全部撤离战区传令各舰次日于郁陵岛集合。而此时的俄军，由诺伯加托夫少将继续率领俄舰尼古拉一世号、奥瑞尔号、阿普拉克辛号、谢尼亚文号、希索维立基号、纳瓦林号、纳希莫夫将军号、及巡洋舰绿宝石号向海参崴方向逃逸但日本鱼雷艇却毫不放松。当天的天气并不是很好而日军的鱼雷艇在波涛汹涌中奋力驶近俄舰攻击纳瓦林号被鱼雷击中而沉没纳希莫夫将军号及希索维立基号亦被鱼雷击中，受重伤却不愿投降，驶到对马岛搁浅自沉。此时的俄军第二与第三太平洋舰队早已溃不成军，而安克威斯特少将在入夜前早已脱离战场，率领奥尔济号巡洋舰、阿芙乐尔号巡洋舰和珍珠号航向南方。