11時42分、第7戦隊も沖ノ島沖でバルチック艦隊を確認し、その後、友軍と合流した。13時15分からは、第3戦隊旗艦「笠置」をはじめ、バルチック艦隊に同航して敵所在を通報していた日本艦が列をなして第1、第2戦隊に合流しはじめた。 13時39分、連合艦隊主力の第1、第2戦隊もバルチック艦隊を左舷南方に視認し、戦闘旗を掲揚して戦闘開始を命令した。13時55分、東郷は連合艦隊旗艦「三笠」へのZ旗の掲揚を指示した。この時連合艦隊が使用していた信号簿ではZ旗は「皇国ノ興廃、コノ一戦ニ在リ。各員一層奮励努力セヨ」という文言が割り当てられていた[11]。
14時02分、針路を南西にとる連合艦隊と針路を北東にとるバルチック艦隊は反航路（平行すれ違い）上につく。14時03分、両艦隊の距離は11,000ｍまで接近する。距離8,500m、「どちら側でなさるのですか…。」砲術長が砲戦の射撃準備を右舷とするのか、左舷とするのかを東郷にたずねた。距離8,000m、東郷は右手を高く挙げ、左へ半円を描くように示し、先頭をいく旗艦「三笠」は大きく左舷取舵を開始した。敵前大回頭、いわゆる「丁字戦法」「トーゴー・ターン」の開始であった[
この時代の軍艦は砲の多くが舷側に並んでいるので横方向に砲撃できれば前後方向より多数の砲が使用できた。縦隊でまっすぐ進む敵艦隊に対して、その進路を横にふさぐ形、丁の字（あるいはT字）に似た体勢を形成できれば、敵の後続艦がまだ遠いうちに、敵先頭艦が前を向いている状態で味方の全艦艇の側方から先頭艦へ攻撃を浴びせることが出来るため、圧倒的に有利な形勢となる。この戦法自体は海戦の定石として古くから知られていたが、敵艦隊もそのような形を避けようとするため、実際に丁字を描くのは不可能に近いと言われていた[6]。
東郷と秋山真之参謀は試行錯誤の末、一つの結論に達していた。それが敵前逐次回頭という敵の盲点を衝く事によって、強引に丁の字を形成する方法だった。しかし当時の海戦の常識から見れば、敵前での回頭は艦を危険に晒す暴挙であった。「三笠」の回頭を目の当たりにしたバルチック艦隊の将兵は「東郷は狂ったのかと思った」「勝利を確信して喜びあった」という。
14時05分、先頭艦の「三笠」に続き戦艦「敷島」も取舵一杯、後続艦も順次回頭を開始する。14時07分、距離7,000mでバルチック艦隊が砲撃を開始し、先頭の「三笠」に攻撃を集中してきたため、三番砲塔を打ち抜かれるなど、回頭完了までに16発の命中弾を受けた。
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14時10分、距離6,400m。日本の連合艦隊の先頭部は回頭を完了し、右舷側にバルチック艦隊の30隻以上が見渡せた。連合艦隊は回頭を完了した艦からバルチック艦隊の先頭の第1戦艦隊旗艦「スヴォーロフ」と第2戦艦隊旗艦「オスラビア」に対して榴弾による一斉砲撃を開始する。「スヴォーロフ」に向けられた「三笠」の試射1射目は目標を飛び越えて海面で炸裂した。2射目は手前の海面を波立たせた。3射目が「スヴォーロフ」の前部煙突を吹き飛ばし、続く砲弾は司令塔の覗き窓に飛び込んで半数即死、半数を負傷させた。日本側も被害が出始めた。第2戦隊の装甲巡洋艦「浅間」が舵機を損傷して戦列から離れた。
14時17分、連合艦隊の砲弾がバルチック艦隊先頭の2艦に多数命中し、「オスラビア」と「スヴォーロフ」で火災が発生する。14時35分、連合艦隊は東南東に転針、バルチック艦隊の進路を完全に遮蔽し丁字が完成した。バルチック艦隊の速度15ノットに対して日本の艦隊は18ノットであった。この間にも連合艦隊の砲弾は着実にバルチック艦隊各艦をとらえ、14時43分、「スヴォーロフ」と「オスラビア」は甲板上や艦内の各所で火災を起こしながら戦列から離脱した。「スヴォーロフ」は12ノットながらまだ航行してたが、再び司令塔内に砲弾が飛び込み、2発目の戦闘は不可能であった。「オスラビア」は更に悲惨な状況にあり、14時50分には大火災を起こしながら沈没した。日本の主力戦艦の30.5cm砲は、ロシア艦隊との距離が3,000mを切った段階で鐵鋼榴弾から徹甲弾に切り替えた[9][6]。
この決定的な30分間の砲戦で、海戦の大勢は決した。