Около 17 часов «Ушакова» настигли два японских броненосных крейсера — «Ивате» и «Якумо», каждый из которых в два раза превосходил русский броненосец по водоизмещению и вооружению. Командовал ими контр-адмирал Х. Симамура.

Японский адмирал поднял сигнал по международному своду: «Ваш флагман сдался, предлагаю вам сдаться». На «Ушакове» сигнал не разобрали, сигнальщики сначала даже приняли японцев за своих. Но Миклуха не сомневался, что это японцы.

Он приказал выбросить за борт с мостика деревянные части и парусину, во избежание пожара, и оставить только пробковые матросские койки для защиты от осколков. Противник тем временем лег на параллельный курс со стороны поврежденного борта броненосца. «Ушаков» шел, накренившись, глубоко зарываясь носом в воду. Японцы снова подняли сигнал. Русские сигнальщики разобрали первую часть: «Советую вам сдать ваш корабль…». По воспоминаниям оставшихся в живых моряков, Миклуха после доклада сигнальщиков приказал: «Ну а продолжение и разбирать нечего, долой ответ, откройте огонь».

Начался бой. Русские снаряды ложились с недолетом. Миклуха приказал идти на сближение с противником. На «Ушакове» вышло из строя гидравлическое наведение носовой башни, перешли на ручное управление. Огонь броненосца слабел. Первый японский снаряд попал в корпус носовой башни и образовал большую пробоину в борту. Второе попадание японцев вывело из строя правое носовое орудие. Последующие попадания вызвали пожар мест складирования боеприпасов. Загорелись обшивка борта и жилая палуба. От сильного крена заклинило механизмы вращения башен. Продолжала стрелять только одна уцелевшая пушка, но это была скорее стрельба для подбадривания команды: причинить ущерб неприятелю она уже не могла.

Тогда Миклуха принял последнее в своей жизни решение. Чтобы спасти оставшихся в живых членов экипажа, он решил затопить корабль. По его приказу матросы и офицеры подготовили средства спасения. После подрыва циркуляционных насосов и открытия кингстонов вода хлынула в помещения корабля, и он начал быстро крениться.

Японцы не прекращали огонь. Снаряд попал в мостик, разбил дальномеры и убил матроса. Миклуху ранило в плечо. Одновременно другой снаряд разворотил кают-компанию. Матросы и офицеры бросались в воду со спасательными кругами и пробковыми койками. Корабль опустел. На мостик поднялся старший офицер А. Мусатов и доложил командиру: «Броненосец скоро утонет». На корабле оставались только Миклуха, Мусатов и лейтенант Н. Дмитриев. Мусатову спастись не удалось. Его убил сорвавшийся с ростров баркас. Дмитриев прыгнул в воду с кормы, а Миклуха последним — с мостика, когда корабль уже переворачивался.

Некоторое время японцы еще продолжали стрелять по людям в воде, что так и осталось необъяснимым: ведь к поднятым из воды морякам они отнеслись очень гуманно. Тем не менее разрывами снарядов в воде были убиты десятки людей.

Японские крейсеры не торопились подходить к месту затопления броненосца. Они спустили шлюпки, когда уже смеркалось. Уцелевших моряков искали прожекторами. Многие погибли от переохлаждения, пробыв несколько часов в воде, температура которой была 11 °С. Умирали и после подъема на борт. Среди спасенных командира не оказалось. Двое матросов утверждали, что находились около раненого Миклухи, поддерживая его, пока капитан 1-го ранга не скончался от потери крови и переохлаждения.

После возвращения из плена в Россию всех матросов, кондукторов и унтер-офицеров с броненосца «Адмирал Ушаков» наградили Георгиевскими крестами. Офицеры получили ордена Св. Владимира 4-й степени с мечами и бантом.

«Ивате» и «Якумо» еще долго служили в японском флоте. «Ивате» даже успели потопить американцы в 1945 году.

В 1910-м бывшие офицеры «Ушакова» возбудили ходатайство о награждении посмертно Владимира Николаевича Миклухи орденом Св. Георгия 4-й степени. Но это ходатайство осталось без ответа. Власть имущим не хотелось лишний раз привлекать внимание к Цусимской трагедии.

В бою 15 мая 1905 года из пяти броненосцев отряда контр-адмирала Небогатова не сдался в плен только «Адмирал Ушаков».