第2戦隊は被害を抑えるために右変針で敵からやや距離を取った後、１４時１５分から回頭を開始し第1戦隊の航跡の後ろに付き、発砲を始めた。
同航砲撃戦
バルチック艦隊の第１・２戦艦隊は単縦陣への陣形変更を早く終えようとしたが、「三笠」が回頭し始めた時点で第1戦艦隊の殿艦である戦艦「オリョール」と第2戦艦隊の先頭艦である戦艦「オスリャービャ」が並走しており、陣形が整わないうちに砲撃を始めていた。すでに「クニャージ・スヴォーロフ」は「オスリャービャ」の前に割り込んでいたため、「オスリャービャ」はし右に蛇行し速度を落とさざるを得なかった。
「クニャージ・スヴォーロフ」は左前方斜めにいる「三笠」の横正面になる形となったため右に変針し並航となるようにし、単縦陣を整えて同航砲撃戦に入った。
１４時２０分、第1戦隊はバルチック艦隊との間合いを距離５０００ｍへ詰め、同航砲撃戦は最高潮となり三笠の被弾も急増した。
その後３０分間、両艦隊は何回か浅い角度の右転針を行ったが、バルチック艦隊主力の速度１１ノットに対して第１・２戦隊は１５ノットであり、「三笠」は常に敵の先頭の「クニャージ・スヴォーロフ」の左前方を斜に圧迫し、徐々に先行した。
１４時２７分、第２戦隊所属の装甲巡洋艦「浅間」が被弾により舵機を損傷し戦列から離れた。
しかしこれを除けば、連合艦隊は各艦の戦闘力を維持した。これに対してバルチック艦隊主力艦は多数の被弾により急速に戦闘力を失っていった。
バルチック艦隊主力後方の艦は徐々に先行する「三笠」へ向けて砲撃が困難となり、前方の艦も被弾で砲撃が減り、「三笠」の被弾は峠を越えた。
１４時３５分、連合艦隊第１戦隊は東へ転針を行った。１４時４３分には東南東へ転針を行った。
これによりウラジオストックへ向かおうとする同艦隊の北進路も遮蔽していった。この間にも連合艦隊の砲弾は舷側を撃ち抜くなど着実にバルチック艦隊各艦をとらえ、１４時５０分、「クニャージ・スヴォーロフ」と「オスリャービャ」は甲板上や艦内の各所で火災を起こしながら右へ大きく回頭して戦列から離脱した。オスリャービャは舷側被弾口からの浸水への対処が進まず致命的になりつつあった。
この３０分間の砲戦で、バルチック艦隊は攻撃力を甚だしく失った。
連合艦隊の第3・第４・第５・第６戦隊は大回頭に参加せずバルチック艦隊の後方を回り、１４時４５分に第3・第4戦隊が主力艦隊の右方にいたバルチック艦隊の巡洋艦・特務船に対する攻撃を開始した。
第２戦隊の独断専行
「クニャージ・スヴォーロフ」の急な右回頭は舵の故障によるもので、回頭を続けていた。「クニャージ・スヴォーロフ」に続くバルチック艦隊の２番艦、戦艦「インペラートル・アレクサンドル３世」の艦長ブフウオトフ大佐はすぐにこれを見抜き、事前の取り決めどおり自身が先頭に立つことを決め、東南東の針路を保持した。しかし「インペラートル・アレクサンドル３世」も集中砲火を受けて列外に出た。
１４時５５分頃、後を引き継ぎ先頭に立った戦艦「ボロジノ」艦長セレブレーンニコフ大佐は左へ回頭し北へ変針し、第１戦隊の後を進む第２戦隊の右舷へ向けて突進する形を取り、第２戦隊が行き過ぎたその後方をすり抜けようとした。これに対応するため、東郷は第１戦隊に「左八点一斉回頭」（全艦左へ９０度一斉に回頭）を命じ、第１戦隊は１４時５８分に各艦が変針を行った。
第２戦隊の上村はこれに一旦倣おうとして旗旒信号まで出したが、「ボロジノ」が右へ針路を変え南方へ逃走することを防ぐため、信号を取り消して直進し、１７ノットに速度を速めた。
「クニャージ・スヴォーロフ」の脱落後は「インペラートル・アレクサンドル３世」や「ボロジノ」がバルチック艦隊の針路を決めていたが、乗員が後の沈没時に「ボロジノ」の砲員1人を残して戦死したため、正確な航路やその意図を測ることは不可能になっている。
この後の展開は第１戦隊と第２戦隊の報告が食い違ったものになっており、日本側の戦史では両方をそのまま掲載してしまっている。
ただし海戦図として残されたのは第１戦隊のものが基礎となっている。また第2艦隊先任参謀であった佐藤鉄太郎はさらに異なった証言を残している。
この最中の１５時７分あるいは同１０分には「オスリャービャ」が沈没している。またバルチック艦隊の後方で離れて航行していた病院船「アリョール」と同「コストローマ」は、１５時３０分に仮装巡洋艦「佐渡丸」や同「満州丸」に捕捉され、臨検のため荒れた外海から三浦湾に移動させられた。
第１戦隊による報告
第１戦隊は、１４時５８分に「左八点一斉回頭」を行い北東に進む単横陣となったが、第２戦隊が敵との間に入り込んでしまったため砲撃を一旦停止した。
１５時５分に北進する敵の前面に出るため「左八点一斉回頭」を行い、装甲巡洋艦日進を先頭にした逆順単縦陣となり西北西に進み、１５時７分に左舷戦闘を開始した。
北進するバルチック艦隊主力は北進を一旦断念し「ボロジノ」が避けるように右へ回頭しバルチック艦隊主力は一時的に東進し反航戦の態勢となった。
この頃「インペラートル・アレクサンドル３世」が先頭に復帰した。その後、バルチック艦隊主力は北からの日本の艦隊の攻撃を避けるように右へ右へ回頭を続け、乱れた艦列をまとめ再び北進への隊列を整えようとした。
第1戦隊は反航戦を行いながら西北西への直進を続けた。この戦闘の終盤では、機関の調整によって操船の自由をある程度取り戻し北進する「クニャージ・スヴォーロフ」を発見し砲撃を加えたが、東郷は「クニャージ・スヴォーロフ」が既に戦闘力を失っていると判断し砲撃を切り上げた。他の敵艦主力は後方に遠ざかり見えなくなった。
第１千体は「差は地点一斉回答」を２回行い、１５時４９分には「三笠」を先頭にした単縦陣に戻り、北東へ針路をとった。１５時５５分、第１戦隊は東微南約７，０００ｍに北方へ遁走する敵艦主力を発見、１６時１分に距離６，５００ｍで砲撃を再開した。
「クニャージ・スヴォーロフ」は孤立したまま北東に針路を取り、主力の前方を進んだ。