Броненосцы 3-го отряда обстреляли крейсера вице-адмирала С. Дева и контр-адмирала С. Уриу. В 16 часов 41 минуту флагманский корабль последнего «Нанива» (3600 т) вышел из строя, получив пробоину у ватерлинии. Через 8 минут снаряд калибром не менее 254 мм пробил на глубине 3,6 м. угольную яму «Касаги» (5000 т) и вызвал затопление котельного отделения. С. Деву пришлось оставить поле сражения и с помощью «Титосе» отконвоировать поврежденный крейсер к берегам Японии. «Касаги» стал единственным японским кораблем, вышедшим из строя до конца Цусимского сражения.
Огонь крейсеров X. Камимуры по скоплению русских кораблей и транспортов тоже оказался довольно эффективным. «Адмирал Ушаков», обходя вышедшего из строя «Императора Александра III», получил попадание 203 мм снарядом в правый борт у 15-го шпангоута близ ватерлинии. Позднее третий снаряд сделал вмятину в броне кормовой башни. Осколки этих и других снарядов изрешетили шлюпки и дымовые трубы.
Около 17 часов русская эскадра, следуя за «Бородино», постепенно склонившись вправо, вновь повернула почти на норд — к Владивостоку. Через полчаса X. Камимура, лишенный поддержки броненосцев X. Того, счел благоразумным прекратить погоню и, выйдя из боя, затерялся в тумане. Навсегда оставив позади подбитого «Князя Суворова», к 17 часам 40 минутам эскадра выстроилась на северном курсе в боевой порядок из нескольких кильватерных колонн.
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.