Уже к моменту выхода в поход и в дальнейшем ситуация на тихоокеанском театре военных действий существенно изменилась. В августе при попытке прорыва из Порт-Артура была фактически разгромлена 1-я Тихоокеанская эскадра, погиб ее командующий контр-адмирал Вильгельм Витгефт, а в начале января 1905 года капитулировала и сама крепость. В связи с этим на усиление эскадры Рождественского вслед за ней был выслан отряд кораблей вновь сформированной 3-й Тихоокеанской эскадры контр-адмирала Николая Небогатова (флаг — на эскадренном броненосце «Император Николай I»). Рождественскому было предписано не просто прорваться во Владивосток, но установить контроль над Японским морем.
В первых числах мая 1905 года корабли Рождественского (в основном, огибавшие Африку) и Небогатова (прошедшие Суэцким каналом) соединились у побережья современного Вьетнама и 25 мая взяли курс на Корейский пролив, двигаясь кратчайшим путем во Владивосток.
К моменту начала Цусимского сражения утром 27 мая 1905 года эскадра Рождественского насчитывала 30 боевых кораблей (восемь эскадренных броненосцев, три броненосца береговой обороны, один броненосный крейсер, восемь крейсеров плюс один вспомогательный, девять эскадренных миноносцев). В состав эскадры также входили четыре транспорта, два буксира и два госпитальных судна.
Главные силы противостоящего эскадре японского флота под командованием адмирала Хэйхатиро Того (флаг — на эскадренном броненосце «Микаса») составляли четыре эскадренных броненосца, восемь броненосных крейсеров и 16 крейсеров при поддержке более 80 миноносцев и вспомогательных кораблей разных классов.
Силы сторон были сравнимы по числу броненосных кораблей и орудий крупного калибра, однако японский флот превосходил российскую эскадру в среднем калибре и в скорострельности орудий, в крейсерах и особенно в миноносцах.
Рождественский делал ставку на прорыв и не стал составлять план боя, решив вести его в зависимости от действий неприятеля. Того развернул отряд крейсеров и миноносцев у островов Цусима, а главные броненосные силы собирался использовать на выходе из Цусимского пролива.
Сражение началось около двух часов пополудни, когда русские броненосные корабли в кильватерном строю прошли пролив, а японские главные силы вышли им наперерез и начали маневр охвата головы колонны. По мере его завершения японские броненосцы сосредоточили огонь на головных кораблях «Князь Суворов» и «Ослябя». Оба сразу получили серьезные повреждения, был тяжело ранен Рождественский.
Через час «Ослябя» затонул, на «Суворове» начался сильный пожар. Ближе к вечеру с него были сняты оставшиеся в живых офицеры штаба эскадры и раненый Рождественский, передавший командование младшему флагману Небогатову. Вскоре «Суворов», весь день подвергавшийся обстрелу, затонул. Та же участь постигла броненосцы «Император Александр III» и «Бородино», которые последовательно оказывались головными кораблями колонны.
С наступлением темноты Того прекратил артиллерийский бой, приказав миноносцам атаковать российскую эскадру торпедами. Особого успеха эти атаки не имели, несколько японских миноносцев были потоплены или серьезно повреждены, но к утру 28 мая корабли эскадры из-за частых уклонений от торпед потеряли между собой связь, оказались рассеяны по всему Корейскому проливу и утром были вынуждены продолжать бой поодиночке. Еще до полудня был окружен и спустил на «Николае I» свой флаг контр-адмирал Небогатов с отрядом из четырех кораблей. Во второй половине дня на миноносце «Бедовый» сдался вице-адмирал Рождественский.