В ночь на 14 мая разлучились с главными силами эскадры и самостоятельно шли во Владивосток также крейсер 1 ранга «Дмитрий Донской», эскадренные миноносцы «Буйный», «Бедовый» и «Грозный». Ранним утром 15 мая командир «Буйного», имевшего повреждения в машине, капитан 2-го ранга П.П. Коломейцев передал на исправный «Бедовый» раненого вице-адмирала З.П. Рожественского и его штаб, а на «Дмитрий Донской» спасенных моряков с броненосца «Ослябя».

«Бедовый» и «Грозный», оставив позади тихоходный крейсер и «Буйный», направились во Владивосток. Около 16 час. 30 мин. на подходах к о. Дажелет они были настигнуты японскими истребителями «Кагеро» и «Сазанами». Раненый флаг-капитан эскадры капитан 1-го ранга К.К. Клапье-де-Колонг, приказав «Грозному» продолжать путь, проявил малодушие и с согласия командира «Бедового» капитана 2-го ранга Н.В. Баранова распорядился поднять на миноносце белый флаг и флаг Красного Креста. Застопоривший машины «Бедовый» был занят японскими моряками с истребителя «Сазанами».

На суде, состоявшемся в Кронштадте в июне 1906 г., ответственные чины штаба и Н.В. Баранов объясняли сдачу тем, что жизнь раненого адмирала ценнее миноносца. Сам вице-адмирал Рожественский, бывший на «Бедовом» в тяжёлом состоянии, в ходе судебного разбирательства мужественно взял на себя ответственность за то, что не предупредил возможность позорной сдачи корабля неприятелю. Адмирала суд оправдал, а инициаторов и участников сдачи — К. К. Клапье-де-Колонга, Н.В. Баранова, полковника В.И. Филипповского и лейтенанта Е.В. Леонтьева, подлежавших по закону смертной казни, в конце концов приговорил «к исключению из службы». ⁷⁰

Командир эскадренного миноносца «Грозный» капитан 2-го ранга К.К. Андржеевский, убедившись в преступных намерениях старших начальников на «Бедовом», приказал дать полный ход и пошел на прорыв, отбиваясь от истребителя «Кагеро», В бою на дистанциях от 14 до 26 кб «Кагеро» добился попаданий в «Грозный», но не смог его остановить и был вынужден отказаться от погони. К.К. Андржеевский был серьёзно ранен, поручив командование артиллерией лейтенанту С. Д. Коптеву, но после перевязки остался на мостике и утром 16 мая привел свой корабль к острову Аскольд и далее во Владивосток.

Кроме «Грозного» достигли Владивостока только яхта «Алмаз» и повреждённый эскадренный миноносец «Бравый». Командиры этих кораблей — капитаны 2-го ранга И.И. Чагин и П.П. Дурново независимо друг от друга избрали путь, придерживаясь берегов Японии. Их расчёты оправдались: 16 мая, избежав встречи с противником, «Алмаз» прибыл в бухту Стрелок, а «Бравый» — в бухту Наездник у Владивостока. И.И. Чагин, П.П. Дурново и судовой механик «Бравого» поручик С.М. Беренов стали первыми участниками сражения, награждёнными орденами Св. Георгия 4-й степени.

Дольше всех кораблей в Цусимском сражении продержался ветеран Дальнего Востока броненосный крейсер 1 ранга «Дмитрий Донской», принявший на борт моряков «Осляби» и «Буйного». Последний из-за выхода из строя главных механизмов пришлось потопить из 6" орудия, и крейсер смог продолжить путь только в полдень 15 мая. К вечеру «Дмитрий Донской» был настигнут японскими крейсерами «Отова», «Нийтака», 4-м боевым отрядом контр-адмирала Уриу (крейсера «Нанива», «Такатихо», «Акаси» и «Цусима») и шестью истребителями. Начав преследование, С. Уриу приказал поднять сигнал «Ваш флагман адмирал Небогатов уже сдался», но ответа не получил. ⁷¹ Тогда японцы атаковали «Дмитрий Донской» с обоих бортов. Экипаж крейсера под командованием капитана 1-го ранга И.Н. Лебедева более часа храбро сражался, повредив флагманский крейсер Уриу «Нанива» и добившись попадания в крейсер «Отова».

Несмотря на умелое маневрирование командира, «Дмитрий Донской» серьёзно пострадал в неравном бою, получив не менее 15 попаданий. Два 6" орудия на верхней палубе вышли из строя, а для оставшихся четырёх батарейных осталось не более 32 снарядов. Дымовые трубы, передний мостик, почти все шлюпки были разбиты, ход упал до 8–9 уз, а от попавшей в корпус воды образовался крен. Нарушилось и управление рулём. Офицеры и матросы крейсера вместе с моряками «Буйного» не только энергично боролись с пожарами, но и прекратили панику, возникшую среди команды погибшего «Ослябя». Потери же в людях были большими: из всех трёх экипажей 84 человека погибли и умерли от ран, а 174 были ранены. Уже в сумерках на мостике разрывом снаряда были убиты старшие артиллерийский и штурманский офицеры лейтенант П.Н. Дурново и подполковник Г.С. Шольц, а командир И.Н. Лебедев, тяжело раненный, передал командование старшему офицеру капитану 2-го ранга К.П. Блохину.

К.П. Блохин направил «Дмитрий Донской» в тень острова Дажелет, где корабль успешно отразил атаки четырёх японских истребителей. Пораженные стойкостью крейсера японцы направили на помощь Уриу броненосный крейсер «Асама», по последний не успел принять участие в бою: с темнотой стрельба прекратилась. Считая невозможным довести до Владивостока поврежденный корабль, капитан 2-го ранга К.П. Блохин приказал свезти команду на Дажелет, а ранним утром 16 мая «Дмитрий Донской» с поднятыми стеньговыми флагами ушёл под воду на большой глубине. Капитан 1-го ранга И.Н. Лебедев скончался от ран в японском госпитале.

Цусимское сражение окончилось почти полным уничтожением русской 2-й Тихоокеанской эскадры: из 17 её кораблей 1 ранга 11 погибли, 2 были интернированы, а 4 попали в руки противника. Из крейсеров 2 ранга два погибли, один разоружился и только один (яхта «Алмаз») достиг Владивостока, куда пришли также всего два эскадренных миноносца из девяти. Из 14334 русских моряков — участников сражения — 5015 человек, в том числе 209 офицеров и 75 кондукторов, были убиты, утонули или скончались от ран, а 803 человека получили ранения. Многие раненые, включая командующего эскадрой (а всего 6106 офицеров и нижних чинов) попали в плен. ⁷²

Потери японского Соединённого флота оказались сравнительно небольшими: 3 потопленных миноносца, несколько повреждённых кораблей и 699 убитых и раненых. Несмотря на излишнюю осторожность большинства флагманов и низкую эффективность многих малых и устаревших кораблей, японскому командованию удалось добиться хорошего взаимодействия броненосных, крейсерских и минных отрядов, и в первую очередь разгромить главные силы 2-й Тихоокеанской эскадры. Поражение русских броненосцев, которые не были поддержаны своими крейсерами и миноносцами, предопределило и роковой исход всего сражения. 15 мая, как и накануне, офицеры и матросы русских кораблей доблестно сражались, но уже не имели шансов на успех в боях с превосходящими силами противника. Сдача врагу нескольких кораблей явилась следствием деморализации части командного состава, подавленного очевидным перевесом японского флота.

Цусимская катастрофа приобрела значение национальной трагедии и оказала огромное влияние на внутреннее положение России. Она всколыхнула общественное мнение страны и вызвала лавинообразное нарастание революционного процесса, охватившего также армию и флот. В военном отношении Цусима означала окончательное завоевание господства на море японским флотом, получившим полную свободу действий. Вместе стем, Япония к этому времени уже не могла направить полноценных подкреплений своей сухопутной армии на материке, а русская Маньчжурская армия, несмотря на поражение под Мукденом, сохраняла численное превосходство и возможность получения новых соединений из европейской России.