日本聯合艦隊司令東鄉平八郎，根據俄國艦隊補給供應情況，斷定俄國艦隊將通過對馬海峽直接前往海參崴。
1905年5月20日東鄉下令，全艦隊進入戰位，等待着俄國艦隊的到來。
1905年5月25日，俄國艦隊從臺灣附近出發，26日到達上海附近，27日清晨進入對馬海峽，鑽進了日本艦隊的包圍圈。
27日清晨2時45分，日本輔助巡洋艦“信濃丸”發現了俄國艦隊，
5時5分，東鄉下令全艦隊出擊，1小時後日本艦隊開始尾隨俄國艦隊前進，在中午11時15分雙方進行了試探性的交火，其他整個上午日本艦隊都像幽靈一樣始終伴隨着俄國艦隊，給俄國官兵帶來極大精神壓力，本已不高的士氣更顯低落。
中午11時30分，俄國艦隊司令羅日捷斯特文斯基下令改變陣形，以利戰鬥，命令第一、第二分隊加速到11節，行駛到另一個縱隊前面，由於沒有同時下令另一縱隊減速，整個俄國艦隊的陣形陷入混亂。
下午1時30分，日、俄雙方接近至10海里，而俄國艦隊尚未把混亂的陣形恢復。1時55分，東鄉平八郎模仿特拉法爾加海戰時的納爾遜，發出“皇國興廢在此一戰、各員一層奮勵努力”信號，
下午2時5分，爲獲得有利攻擊陣位，東鄉毅然下令敵前大轉向，即著名的“U”型轉彎。
2時8分，俄國艦隊旗艦“蘇沃羅夫公爵”向日本艦隊開火，
2時11分，完成轉向的日本艦隊旗艦“三笠艦”發炮還擊，雙方主力艦在6000米距離內開始炮戰，對馬海戰正式開始。
日本艦隊利用16分鐘時間完成“U”型(“α”型)轉向後，漸次採用搶佔T字橫頭的戰術穿過俄國艦隊，向俄國先頭戰艦攻擊。在日本艦隊的轉向過程中，俄國艦隊曾打傷了日本兩艘裝甲巡洋艦“出雲”、“淺間”，但在轉向完成後，日本艦隊利用其較高的航速和射速、以及火炮彈藥威力方面的優勢，漸漸奪取了戰場主動權，俄國艦隊旗艦“蘇沃羅夫公爵”號遭到日方炮火的集中猛烈射擊，
下午2時20分，船舵被打壞，軍艦失去控制，艦隊司令羅日捷斯特文斯基也身受重傷，全部上層建築都被打爛的“蘇沃羅夫公爵”被迫退出戰列在海面上漂浮，俄國艦隊陷入沒有指揮的混亂局面。
俄國第二分隊的旗艦“奧斯利亞比亞”遭到6艘日本軍艦的集中轟擊，遭到重創，下午3時30分左右沉沒，全艦900名官兵倖存300餘人。此後，失去統一指揮的戰列艦“亞歷山大三世”、“博羅季諾”、“鷹”、“西索依-維利基”也先後被重創。
在戰列艦進行交戰的同時，雙方的巡洋艦也在激烈交鋒。巡洋艦交火約從下午2時45分開始，主要是在日本第三、四戰隊和俄國巡洋艦分隊之間展開。戰鬥中，日本3艘巡洋艦被重創，俄國數艘輔助船發生火災。至下午4時左右，俄國艦隊敗局已定，前往海參崴的航道也已被封鎖，由於雙方艦隊在煙霧中經常失去接觸，航線混亂，雙方開始了混戰。
4時45分，日本第五、六戰隊投入戰鬥，不久，俄國巡洋艦“斯維特拉娜”號被擊沉，另一艘舊式巡洋艦“頓斯科伊”頑強地抵抗了6艘日本巡洋艦的圍攻，並擊傷了其中的兩艘(“浪速”、“音羽”)，後爲避免被俘而由船員自行鑿沉。“奧列格”、“阿芙樂爾”、“珍珠”及其他幾艘驅逐艦、輔助船，向北突圍不成，便一直南下逃往菲律賓。
雙方的主力艦在4時45分、5時30分曾兩次相遇，但俄國戰艦都受了重創，無法發起有力的攻擊，結果3艘戰列艦相繼被擊沉。晚7時，被打得千瘡百孔的“亞歷山大三世”號戰列艦沉沒，艦員全部遇難，10分鐘後，“博羅季諾”號彈藥庫被日本“富士”號擊中，彈藥庫被摧毀，並引起了鍋爐爆炸，當即下沉，全艦官兵僅1人獲救。在海上漂浮的旗艦“蘇沃羅夫公爵”依然遭到日方炮擊，俄國驅逐艦“狂暴”號冒險靠近旗艦，接走艦上傷員，其中包括艦隊司令羅日捷斯特文斯基。7時20分，日本驅逐艦發射魚雷將“蘇沃羅夫公爵”號最終擊沉，全艦倖存20人。
晚7時30分，日本所有重型艦隻撤出戰場，準備用魚雷艇和驅逐艦發起夜間攻擊，白天戰鬥告一段落。
晚7時30分至次日凌晨5時，日方21艘驅逐艦、37艘魚雷艇向殘餘的俄國艦隻發起魚雷攻擊，俄國第三分隊因接受過反魚雷進攻訓練，因而大都倖存下來。而第二分隊的艦隻大部被擊沉，“西索伊-維利基”、“海軍上將納西莫夫”、“納瓦林”先後被魚雷擊沉，舊式裝甲巡洋艦“莫諾馬赫”在艦艏被魚雷炸掉的情況下，仍頑強的擊沉了向它發射魚雷的日本魚雷艇，後因傷勢嚴重，於凌晨5時由艦員自行鑿沉。
28日清晨5時過後，殘餘的俄國艦隊緩緩地朝海參崴方向行駛，但在上午9時，再次被日本艦隊包圍，遭到日艦猛烈的炮擊，擔任俄國艦隊司令的涅鮑加托夫海軍少將決定投降。
10時53分，“尼古拉一世”、“海軍上將阿普拉克辛”、“海軍上將謝尼亞文”、“鷹”等4艘戰列艦投降，而日本艦隊在看到俄方投降信號後，依然進行不人道的炮擊，直到聯合艦隊的總參謀秋山真之中佐告訴東鄉俄艦隊已投降。“海軍上將烏沙科夫”號上的俄國官兵看到日本的勸降信號後，毅然用炮火做了回答，最後爲了不讓這艘用俄國著名海軍將領命名的戰艦落入敵手，艦長下令自行鑿沉，巡洋艦“綠寶石”號在逃往海參崴的途中擱淺，被艦員炸沉，餘下幾艘分別逃往上海、馬尼拉等中立國港口，最終逃回海參崴的只有巡洋艦“金剛石”號和另2艘驅逐艦。對馬海戰至此結束。
