日本联合舰队司令东乡平八郎，根据俄国舰队补给供应情况，断定俄国舰队将通过对马海峡直接前往海参崴。
1905年5月20日东乡下令，全舰队进入战位，等待着俄国舰队的到来。
1905年5月25日，俄国舰队从台湾附近出发，26日到达上海附近，27日清晨进入对马海峡，钻进了日本舰队的包围圈。
27日清晨2时45分，日本辅助巡洋舰“信浓丸”发现了俄国舰队，
5时5分，东乡下令全舰队出击，1小时后日本舰队开始尾随俄国舰队前进，在中午11时15分双方进行了试探性的交火，其他整个上午日本舰队都像幽灵一样始终伴随着俄国舰队，给俄国官兵带来极大精神压力，本已不高的士气更显低落。
中午11时30分，俄国舰队司令罗日捷斯特文斯基下令改变阵形，以利战斗，命令第一、第二分队加速到11节，行驶到另一个纵队前面，由于没有同时下令另一纵队减速，整个俄国舰队的阵形陷入混乱。
下午1时30分，日、俄双方接近至10海里，而俄国舰队尚未把混乱的阵形恢复。1时55分，东乡平八郎模仿特拉法尔加海战时的纳尔逊，发出“皇国兴废在此一战、各员一层奋励努力”信号，
下午2时5分，为获得有利攻击阵位，东乡毅然下令敌前大转向，即著名的“U”型转弯。
2时8分，俄国舰队旗舰“苏沃罗夫公爵”向日本舰队开火，
2时11分，完成转向的日本舰队旗舰“三笠舰”发炮还击，双方主力舰在6000米距离内开始炮战，对马海战正式开始。
日本舰队利用16分钟时间完成“U”型(“α”型)转向后，渐次采用抢占T字横头的战术穿过俄国舰队，向俄国先头战舰攻击。在日本舰队的转向过程中，俄国舰队曾打伤了日本两艘装甲巡洋舰“出云”、“浅间”，但在转向完成后，日本舰队利用其较高的航速和射速、以及火炮弹药威力方面的优势，渐渐夺取了战场主动权，俄国舰队旗舰“苏沃罗夫公爵”号遭到日方炮火的集中猛烈射击，
下午2时20分，船舵被打坏，军舰失去控制，舰队司令罗日捷斯特文斯基也身受重伤，全部上层建筑都被打烂的“苏沃罗夫公爵”被迫退出战列在海面上漂浮，俄国舰队陷入没有指挥的混乱局面。
俄国第二分队的旗舰“奥斯利亚比亚”遭到6艘日本军舰的集中轰击，遭到重创，下午3时30分左右沉没，全舰900名官兵幸存300余人。此后，失去统一指挥的战列舰“亚历山大三世”、“博罗季诺”、“鹰”、“西索依-维利基”也先后被重创。
在战列舰进行交战的同时，双方的巡洋舰也在激烈交锋。巡洋舰交火约从下午2时45分开始，主要是在日本第三、四战队和俄国巡洋舰分队之间展开。战斗中，日本3艘巡洋舰被重创，俄国数艘辅助船发生火灾。至下午4时左右，俄国舰队败局已定，前往海参崴的航道也已被封锁，由于双方舰队在烟雾中经常失去接触，航线混乱，双方开始了混战。
4时45分，日本第五、六战队投入战斗，不久，俄国巡洋舰“斯维特拉娜”号被击沉，另一艘旧式巡洋舰“顿斯科伊”顽强地抵抗了6艘日本巡洋舰的围攻，并击伤了其中的两艘(“浪速”、“音羽”)，后为避免被俘而由船员自行凿沉。“奥列格”、“阿芙乐尔”、“珍珠”及其他几艘驱逐舰、辅助船，向北突围不成，便一直南下逃往菲律宾。
双方的主力舰在4时45分、5时30分曾两次相遇，但俄国战舰都受了重创，无法发起有力的攻击，结果3艘战列舰相继被击沉。晚7时，被打得千疮百孔的“亚历山大三世”号战列舰沉没，舰员全部遇难，10分钟后，“博罗季诺”号弹药库被日本“富士”号击中，弹药库被摧毁，并引起了锅炉爆炸，当即下沉，全舰官兵仅1人获救。在海上漂浮的旗舰“苏沃罗夫公爵”依然遭到日方炮击，俄国驱逐舰“狂暴”号冒险靠近旗舰，接走舰上伤员，其中包括舰队司令罗日捷斯特文斯基。7时20分，日本驱逐舰发射鱼雷将“苏沃罗夫公爵”号最终击沉，全舰幸存20人。
晚7时30分，日本所有重型舰只撤出战场，准备用鱼雷艇和驱逐舰发起夜间攻击，白天战斗告一段落。
晚7时30分至次日凌晨5时，日方21艘驱逐舰、37艘鱼雷艇向残余的俄国舰只发起鱼雷攻击，俄国第三分队因接受过反鱼雷进攻训练，因而大都幸存下来。而第二分队的舰只大部被击沉，“西索伊-维利基”、“海军上将纳西莫夫”、“纳瓦林”先后被鱼雷击沉，旧式装甲巡洋舰“莫诺马赫”在舰艏被鱼雷炸掉的情况下，仍顽强的击沉了向它发射鱼雷的日本鱼雷艇，后因伤势严重，于凌晨5时由舰员自行凿沉。
28日清晨5时过后，残余的俄国舰队缓缓地朝海参崴方向行驶，但在上午9时，再次被日本舰队包围，遭到日舰猛烈的炮击，担任俄国舰队司令的涅鲍加托夫海军少将决定投降。
10时53分，“尼古拉一世”、“海军上将阿普拉克辛”、“海军上将谢尼亚文”、“鹰”等4艘战列舰投降，而日本舰队在看到俄方投降信号后，依然进行不人道的炮击，直到联合舰队的总参谋秋山真之中佐告诉东乡俄舰队已投降。“海军上将乌沙科夫”号上的俄国官兵看到日本的劝降信号后，毅然用炮火做了回答，最后为了不让这艘用俄国著名海军将领命名的战舰落入敌手，舰长下令自行凿沉，巡洋舰“绿宝石”号在逃往海参崴的途中搁浅，被舰员炸沉，余下几艘分别逃往上海、马尼拉等中立国港口，最终逃回海参崴的只有巡洋舰“金刚石”号和另2艘驱逐舰。对马海战至此结束。
