当俄舰队发现本身处于不利位置后，采取回避交战的方针，力图以机动突围，12点10分，俄舰队俄舰队向左转，以约70°航向朝北与日舰队相对航行。此时双方舰队相距7.5海里，均未进入有效射程。

12点30分左右，东乡发现如保持航向（从12.00分一直未变），日舰队将到达俄舰队南侧，从而失去与俄舰队接触的机会，遂下令向左大回转，取与俄舰队几乎平行的航向。

12点40分，日舰队为保持与俄国舰队的接触，再次向右大回转，恢复与俄舰队相反航向260°。日舰队完成两次回转后，双方距离接近到4.5海里。

13点左右，双方开始交火。稍后俄舰队转向突破了日舰封锁，与日舰队脱离炮火接触，这一小时的交战，因为距离较远，双方炮火命中率都不高，也都未受到严重损伤。从东乡的意图看，日舰队是想抢占俄舰队的“T”字阵，但因为距离和航速的关系，加之维佐弗特适当的左转弯，使得日舰失去了机会，---俄国舰队成功的突破了日舰队的包围，向东南方向逃逸。这时东乡平八郎才发现俄国舰队不是来决战的，是准备逃跑的，但这时双方舰队的距离已经拉开15海里，天黑之前是追不上了。

正当东乡带着联合舰队在几乎是绝望似地追赶远东舰队的时候，16点30分，奇迹出现了。早已从视野里消失的远东舰队居然又远远地出现了在海平线上——联合舰队追上了远东舰队。这又是怎么回事呢？这真叫运气。正在全速前进的远东舰队突然出故障了，3天前在旅顺港内被日本海军支援陆军的舰炮击中过吃水线下的部分，只是临时采取了一点补修措施就出来的战列舰列特维山号突然修补处发生漏水，无法前进了，全舰队都停了下来等他临时抢修，到抢修结束可以继续以正常速度前进时，联合舰队已经又追上来了。

日舰队利用航速优势追上俄舰队，与俄舰队平行航向进行炮战。俄舰队集中打击日舰队旗舰三笠号，使它严重受创。此时俄太平洋舰队精华尚在，官兵尚未绝望，若拼死一搏，还是可以冲出日舰包围圈-----但17点40分，日舰一发12英寸炮弹鬼使神差的正好命中俄旗舰太子号的舰桥，猛烈的爆炸不仅摧毁了信号台，而且指挥官维佐弗特少将被弹片击中身亡，更糟糕的是太子号因操舵装置被毁，向右无控制偏转，闯入自己的编队而队形大乱，由于维佐弗特事先没有指定代理人（此后在对马海战中再次出现这种严重失误），俄舰队失去了指挥，其它舰只不了解作战指导思想，无法保持战斗队形和统一思想。在日舰的猛烈袭击下开始溃散。夜幕降临，东乡认为对方会继续逃向海参崴，遂命令驱逐舰和鱼雷艇准备夜袭。但多数俄舰却逃回旅顺。

另旗舰太子号以及3艘驱逐舰逃往青岛，在战争的其余时间被德国人扣留，1艘巡洋舰和1艘驱逐舰逃亡上海，1艘巡洋舰逃亡西贡，另一艘小型巡洋舰绕过日本东海岸驶往海参崴，后在日本巡洋舰的追击下在库页岛搁浅。

在这次海战中，俄舰队损失包括舰队司令在内的343人，日方伤亡226人。由于俄舰队的火力集中射击三笠号，使其严重受伤，一共被命中22次，其中至少4发12英寸炮弹，造成死32人，伤78人，几乎全部火炮被炸毁。大部分退回旅顺的俄舰再没有尝试突围，战舰的火炮被拆下安装在俄军陆上的阵地，水兵则被编进陆军守备部队。随着旅顺的失守，驻守旅顺的俄国太平洋舰队的全军覆没。

俄舰队突围没有成功，关键是俄指挥官对突围作战信心不足，没有抓住有利时机反击，反而一味主动逃跑，被动应战，另外，俄军作战计划不周密，未事先拟定多种情况下预案，各舰舰长不了解舰队作战意图，只能被动跟随旗舰运动。日本舰队随然击溃了俄舰队的突围，但东乡指挥上也存在失误----战斗初期主力编队机动不当，致使俄舰队轻松突破了日军的围堵，如果不是后来的战斗中侥幸摧毁了对方旗舰的指挥系统，使其陷入混乱，最后战果很难预料。此战后，东乡总结经验教训，深刻影响了他在对马海战中的战术指挥。