В 17.40–17.50 главные силы японского флота, обнаружив русскую эскадру, которая в это время вела бой с японскими крейсерами, вновь атаковали ее. Строй русских растянулся, строго в кильватер «Бородино» шел только «Орел», «Император Александр III», заливаемый водой через носовые пробоины, заметно отстал. За ним следовал отряд вице-адмирала Небогатова, позади и левее которого держался 2-й броненосный отряд. Японский командующий теперь отказался от маневра охвата головы и повел бой на параллельных курсах. Условия стрельбы были неблагоприятны для броненосцев Того – русские оказались на фоне заходящего солнца. С уменьшением дистанции до 30 кабельтовых видимость улучшилась, к 18.14 «Бородино» получил несколько попаданий и начал скрываться в дыму. Около 18 ч. 30 минут по русским кораблям с дистанции 40–46 кабельтовых открыли огонь крейсеры Камимуры. Их целью стал «Император Александр III», державшийся правее концевого корабля отряда Небогатова. Трубы и мачты на нем еще стояли, но на корабле бушевал пожар. Под огнем японцев корабль покатился влево, крен увеличился. Вскоре вода хлынула в разбитые порты 75 мм орудий. В 18.50 броненосец перевернулся на правый борт, по его днищу карабкалось до 40 матросов. К моменту гибели «Александра III» «Бородино» и «Орел» были охвачены пламенем пожаров. Особенно серьезно пострадал «Бородино», все его офицеры были убиты или ранены, и образовался крен до 5°. «Орел», по мнению самих японцев, вел довольно точный огонь, нанеся серьезные повреждения «Микасе», но и у этого корабля образовался серьезный крен, в критический момент его прикрыл бортом «Наварин».
Дневное сражение продолжалось до 19 часов 12 минут. С наступлением темноты адмирал Того прекратил артиллерийский бой и направился с главными силами к о. Оллындо (Дажелет), а миноносцам приказал атаковать русскую эскадру торпедами. Уходя, «Фудзи» произвел последний выстрел из уцелевшего 305 мм орудия. Снаряд попал в район правой носовой башни «Бородино», очевидно, вызвав взрыв боезапаса. «Бородино» перевернулся на правый борт и затонул.
Около 20 часов до 60 японских миноносцев, разделенных на небольшие отряды, стали охватывать русскую эскадру. Из 75 торпед, выпущенных с дистанции от 1 до 3 кабельтовых, в цель попало только шесть. Отражая торпедные атаки, русские моряки уничтожили два японских миноносца и 12 повредили. Кроме того, в результате столкновений своих кораблей японцы потеряли еще один миноносец, и шесть были серьезно повреждены. Корабли Небогатова и присоединившийся к ним броненосец «Орел», погасив все огни, не были ночью торпедированы, но утром были окружены японским флотом и сдались. Крейсер «Изумруд», который также входил в этот отряд, развив максимальную скорость, прорвал кольцо японских кораблей, но выскочил на камни в бухте Владимир и был взорван экипажем.
К утру 15 мая русская эскадра как организованная сила перестала существовать. В результате частых уклонений от атак японских миноносцев русские корабли рассредоточились по всему Корейскому проливу. Только отдельные корабли пытались самостоятельно прорваться во Владивосток. Встречая на своем пути превосходящие силы японцев, они смело вступали с ними в решительный бой и вели его до последнего снаряда. Геройски сражались с противником экипажи броненосца береговой обороны «Адмирал Ушаков» под командованием капитана 1-го ранга Миклухо-Маклая и крейсера «Дмитрий Донской», которым командовал капитан II ранга Лебедев. Эти корабли погибли в неравном бою, но не спустили флагов перед врагом.
Броненосный крейсер «Адмирал Нахимов» в дневном бою получил 20 попаданий всех калибров, а ночью был торпедирован в правый борт с носа. Затоплен экипажем около 10 часов 15 мая. «Сисой Великий» в дневном бою получил незначительные повреждения, а в 00.00 15 мая он был затоплен экипажем. «Наварин» ночью был торпедирован в корму с правого борта, а затем еще в середину правого борта и в левый борт с носа, перевернулся и затонул с 700 членами экипажа. «Владимир Мономах» тоже был торпедирован в носовую часть с правого борта и затонул в 10.30 15 мая. «Олег», «Аврора» и «Жемчуг» ушли на Филиппины и были интернированы в Маниле. «Светлана» в дневном бою получила большую пробоину по ватерлинии в носу и была затоплена после боя с двумя крейсерами 15 мая. «Алмаз» получил 14 мая небольшие повреждения и прорвался во Владивосток. «Урал» был потоплен японскими броненосцами. Из 9 миноносцев 4 – «Буйный», «Блестящий», «Громкий», «Безупречный» – были потоплены, 2 – «Бравый» и «Грозный» – прорвались во Владивосток, «Бодрый» интернирован в Шанхае, «Бедовый» сдался в плен вместе с находившимся практически в бессознательном состоянии Рожественским.
В Цусимском сражении русский флот потерял 8 броненосных кораблей, 4 крейсера, вспомогательный крейсер, 5 миноносцев и несколько транспортов. Японцы потеряли в этом сражении 3 миноносца. Многие их корабли получили серьезные повреждения. В самом начале боя русскими был поврежден и выведен из строя крейсер «Асама».