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Lang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。