Командующий третьей эскадрой вице-адмирал Катаока, получив сообщение с «Синано-Мару» об обнаружении русских кораблей, вывел подчиненные ему 5-й, 6-й и 7-й боевые отряды в сопровождении миноносцев из залива Озаки, на западном берегу острова Цусима, и двинулся сначала к мысу Цуцу, а потом к мысу Коозаки, где был вынужден оставить миноносцы. Приданные 5-му отряду 11-й, 17-й и 20-й отряды миноносцев сильно страдали от волн. Там же был оставлен 7-й боевой отряд, для наблюдения за русской эскадрой, если та подойдет к мысу Коозаки на расстояние прямой видимости.

Далее, от мыса Коозаки он пошел на юг, при этом с 6-м отрядом шли восемь более крупных миноносцев (10-й и 15-й отряды), терявших скорость на волне, поэтому он немного отстал. Его флагман контр-адмирал Того Масамичи, призвал телеграммой крейсера «Идзуми» и «Акицусима», отправленные с вечера в передовую дозорную цепь. «Акицусима» вскоре появился, а «Идзуми» на вызовы не отвечал.

Идя на 10 узлах южным курсом, с флагманского крейсера 5-го отряда и всей третьей эскадры «Ицукусима», шедшего головным, в 09:56 были обнаружены дымы прямо по курсу. В этот момент японские крейсера отошли от мыса Коозаки на семь с половиной миль. Идя прямо на дымы, вскоре удалось разглядеть силуэты четырех броненосцев типа «Суворов», и еще несколько кораблей скрывала дымка, над которой возвышались лишь верхушки мачт.

Немедленно хотели отправить телеграмму о контакте открытым текстом, чтобы не терять время на шифровку, но рации на всех кораблях не работали из-за помех. Передав семафором на шедшие позади три крейсера 6-го отряда: «Делай как я», повернули «все вдруг» вправо и легли на запад-юго-запад, начав набирать ход и удаляться от русских броненосцев.

Тут же обнаружили, что русские разворачиваются на северный курс, идя на нас строем фронта, вскоре начав пристрелку с головного корабля. Надеясь установить точную численность сил противника, Катаока приказал следовать прежним курсом, дав самый полный ход, но вскоре начались накрытия.

В 10:15 впереди, чуть левее курса 5-го отряда были обнаружены три русских крейсера на северном курсе, шедшие полным ходом наперерез. Головной двухтрубный, остальные два четырехтрубные, опознанные как «Россия» и «Громобой». Японские крейсера немедленно повернули «все вдруг» вправо на север, выжимая все из своих старых, изношенных машин.

В момент поворота «Ицукусима» был накрыт залпом с одного из русских броненосцев. При этом тяжелый фугасный снаряд, попав в левый борт, прошел через угольный бункер, пробил 37-милиметровый скос стальной «броневой» палубы над кормовым машинным отделением у задней его переборки и, пройдя по диагонали, разорвался в самой горизонтальной машине, полностью её разрушив и пробив своими осколками и обломками механизмов носовую переборку. Отсек мгновенно заполнился паром, а через сместившийся правый гребной вал начала быстро поступать вода. Все, кто уцелел, покинули отделение, однако левая машина в носовом машинном отделении еще какое-то время работала на остатках давления в паропроводе, но из-за прогрессирующего затопления через пробитую переборку из соседнего отсека её тоже пришлось остановить и эвакуировать людей, задраив все люки и горловины.

Над крейсером поднялся столб пара, он резко сбавил ход и потерял управление, покатившись вправо и подрезав курс броненосцу «Чен-Иен», отставшему от крейсеров по причине худшей маневренности. При этом «Ицукусима» подставил ему свой левый борт и, описав полуциркуляцию вправо, остановился совсем. Уходя от столкновения, броненосцу пришлось круто взять влево, обойдя своего поврежденного и теряющего ход флагмана, с носа. В результате он еще больше отстал от остальных кораблей отряда.

В этот момент на двух створившихся кораблях был сосредоточен очень сильный огонь, и они оба получили по нескольку попаданий, одним из которых была взорвана правая башня броненосца, и в ней начался сильный пожар.

Тем временем, остальные японские крейсера оказались под продольно-перекрестным огнем с броненосных крейсеров и новых броненосцев, причем русские очень быстро приближались, и точность огня росла.

Примерно через пять минут после поворота на север со ставшего головным в 5-м отряде «Хасидатэ» на правом траверзе в 40 кабельтовых обнаружили еще пять трехтрубных русских легких крейсеров, шедших полным ходом наперерез.

К этому времени броненосцы и тяжелые крейсера уже пристрелялись по всем оставшимся кораблям 5-го отряда, взяв их в два огня, и японские крейсера сильно страдали от их снарядов. В 10:22 «Хасидатэ» получил попадание в румпельное отделение и потерял управление. Пытаясь править машинами, крейсер запетлял на курсе и сбавил ход, но руль не держался, свободно ворочаясь во все стороны, и идти прямо не удавалось. Видя его повреждение, «Россия» и «Громобой» развили максимальный темп стрельбы, находясь всего в 20 кабельтовых и стреляя всем бортом фугасными снарядами. К тому же головной русский броненосец тоже пристрелялся по «Хасидатэ». Попадания следовали одно за другим, были разбиты котлы в первой кочегарке, почти все орудия и появились три большие подводные пробоины в корме, причем две из них сквозные, от двенадцатидюймовых снарядов, легших в корму и вышедших из подводной части, сразу за машинными отделениями крейсера. Часть снарядов, особенно тяжелых, прошивала корпус насквозь, разрываясь уже с другой стороны, или вообще без разрыва. Общее число попаданий перевалило за полсотни. «Хасидатэ» начал быстро оседать кормой, оставаясь на ровном киле. В 10:42 обстрел прекратился, а через 16 минут крейсер младшего флагмана 5-го отряда контр-адмирала Такемота, к тому времени уже погибшего в дважды пробитой боевой рубке, лег на левый борт и быстро затонул.

Удиравший вторым в строю «Мацусима» получил свое роковое попадание в 10:26. Накрытый очередным залпом, крейсер озарился вспышкой мощного взрыва под палубой перед самым командирским мостиком. 305-милиметровый фугасный снаряд с корабля, шедшего четвертым, в строю новых русских броненосцев, разорвался в батарее крейсера, ближе к левому борту у самой шахты подачи боеприпасов среди приготовленных для стрельбы 120-миллиметровых снарядов. От его взрыва боеприпасы детонировали, полностью разрушив батарейную палубу и обрушив часть палубы бака. Взрывной волной и осколками вывело из строя четыре котла и перебило главный паропровод во второй кочегарке и пожарную магистраль. От сотрясения сработали предохранительные клапаны остальных котлов. Вся носовая часть превратилась в огромный костер, в котором рвались оставшиеся снаряды. Неподвижно замерший на волнах крейсер получил еще около двух десятков попаданий, в том числе и тяжелыми снарядами, за следующие пять минут и его, горящего уже по всей длине, оставили в покое.

«Чен-Иен», обойдя «Ицукусиму» и лишившись половины главного калибра, вслед за крейсерами лег на северный курс, находясь под обстрелом минимум шести русских броненосцев, бивших почти строго в корму. Тяжелые бронебойные снаряды, проходя вдоль корпуса корабля, прошивали переборки, крушили корпусные конструкции и палубы, вплоть до кормового траверза, пробить который пока не могли. Из-за малой дистанции и потому настильной траектории, доходя до карапасной палубы, они рикошетили вдоль нее и ее скосов, порой выходя из подводной части корпуса.

Попавшие в броненосец 254-миллиметровые фугасы, в количестве 7 штук, в сочетании со среднекалиберными стальными гранатами, сильно разрушили верхнюю палубу в корме, выбив палубные шестидюймовки. Левая двенадцатидюймовая башня была почти обернута остатками надстроек и сохраняла подвижность лишь благодаря своей круглой форме. Из-за пожара в правой башне пришлось затопить её погреб, что вызвало крен на правый борт.

Через подводные пробоины в обоих бортах корма начала быстро затапливаться, так как вода разливалась над бронепалубой, не встречая преград, а через разошедшиеся швы и выбитые заклепки в самом настиле брони начались течи и в нижние помещения. Броненосец сбавил ход сначала до 9 узлов, но по мере увеличения объемов затоплений продолжал терять скорость, садясь на корму. Крен тоже начал увеличиваться, но он еще отбивался из уцелевшей левой башни и баковой шестидюймовки, стреляя по «Громобою». Мостик был разрушен, дальномеры разбиты, так что эффективность этого огня, учитывая скорострельность его древней артиллерии, была нулевой. В 10:30 были обнаружены два миноносца, заходившие в атаку с кормы, по ним открыли огонь две уцелевшие мелкие пушки на баке. Однако русские все же выстрелили двумя торпедами примерно с двух-трех кабельтовых.

На таком ходу увернуться от них не было никакой возможности. Одна из этих торпед прошла за кормой, а вторая попала в правый борт сразу за бронепоясом. Ее взрывом встряхнуло весь броненосец. В образовавшуюся пробоину хлынула вода, и он начал тонуть еще быстрее. Под воду ушли пробоины в надводном борту. Крен быстро увеличивался, что заставило замолчать уцелевшую артиллерию. Вскоре перестали стрелять и русские.

А лишившийся хода раньше всех «Ицукусима», с уходом «Чен-Иена», почти не обстреливался, будучи под огнем лишь 120-миллиметровой артиллерии с броненосцев береговой обороны. При этом сам он вел интенсивный огонь всем левым бортом по наименее бронированному из всех «Ослябе». Барбетная установка на крейсере не действовала, так как из-за нехватки пара не было возможности запустить механизмы её гидравлики, а ручной гидравлический насос сломался. Но когда до вырвавшихся вперед новейших русских броненосцев осталось всего 20–25 кабельтовых и они смогли навести на него свои кормовые башни, «Ослябя» начал пристрелку. После достижения накрытия перешли на частый огонь со всех пяти кораблей отряда из всех калибров. За следующие десять минут крейсер получил не менее трех попаданий тяжелыми снарядами и около двадцати – среднего калибра. Примерно в 10:40 флагман третьей эскадры объединенного флота получил попадание снаряда большого калибра в район ватерлинии под барбетом 320-миллиметрового орудия и исчез в огромном облаке взрыва собственных погребов.