Головным шел «Бородино», в кильватер которому держался только «Орел». Значительно левее и отстав от них, шел «Император Александр III», имевший крен и управлявшийся с трудом. За «Императором Александром III» шел 3-й броненосный отряд Н. И. Небогатова. Адмирал к этому времени сам командовал «Императором Николаем I». Разрывом попавшего в ствол левого 305 мм орудия 203 мм японского снаряда ранило командира корабля В. В. Смирнова, не вернувшегося в рубку после перевязки.
Левее и позади колонны 3-го броненосного отряда друг за другом следовали «Наварин», «Сисой Великий», справившийся с пожаром в батарее, и «Адмирал Нахимов». Крейсера «Олег», «Аврора», «Дмитрии Донской», «Владимир Мономах», «Светлана», «Алмаз» и «Жемчуг» образовали подобие строя кильватера на левом траверзе броненосцев, там же в беспорядке держались «Изумруд», эсминцы и часть транспортов.
В таком боевом порядке эскадра и вступила в бой: в 17 часов 42 минуты по правому борту из мглы вынырнули броненосцы X. Того, которые с дистанции около 35 кбт открыли огонь по «Бородино». Заходящее солнце некоторое время слепило японских комендоров, мешая им пристреляться. Но вскоре стрельба противника стала вновь точной: «Бородино», а временами и «Орел» скрывались за стеной разрывов начиненных шимозой японских снарядов. С 18 часов 30 минут к броненосцам X. Того присоединились и крейсера X. Камимуры, обстрелявшие концевые русские корабли медленным огнем с дистанций 40–50 кбт.
Около 18 часов эскадру догнал эсминец «Буйный», командир которого капитан 2-го ранга Н. Н. Коломейцов под огнем противника подошел к «Князю Суворову» и снял с него раненого командующего эскадрой вместе с частью штаба и несколькими матросами. Выполняя волю 3. П. Рожественского, к «Императору Николаю I» направили эсминец «Безупречный» для сообщения о передаче командования Н. И. Небогатову с приказом следовать во Владивосток.
В это время «Император Александр III», заливаемый водой через большие пробоины в носовой части, с креном вышел из строя. Пытаясь вступить в кильватер «Адмиралу Сенявину», он вскоре попал под огонь крейсеров X. Камимуры, оказавшийся для него гибельным. Некоторое время корабль с сильным пожаром на рострах еще держался на курсе позади и правее «Адмирала Ушакова». На мостике и на подбойном борту виднелись люди, сигнальщик семафорил: «Терплю бедствие», — но уцелевшие орудия продолжали стрельбу.
«Адмирал Ушаков» в 16 часов, обгоняя поврежденный «Наварин», прикрыл его бортом и поддержал огнем, обстреляв японские крейсера. В это время (около 18 часов 40 минут) «Император Александр ІІІ» с нарастающим креном стал склоняться влево — прямо в борт «Адмирала Ушакова». Увеличив ход, В. Н. Миклуха уклонился и пропустил его за кормой. Через несколько секунд 14 000-тонный «Император Александр III» перевернулся вверх килем. Некоторое время его днище, ставшее последним прибежищем немногих уцелевших моряков, еще виднелось на поверхности в 4–6 кбт от броненосцев 3-го отряда. В 18 часов 50 минут и оно скрылось под водой. Крейсер «Изумруд», пытавшийся оказать помощь оставшимся в воде людям, был отогнан огнем японских броненосных крейсеров. Все 865 человек, находившиеся на борту «Императора Александра III», разделили судьбу своего корабля.