Отход броненосцев был уловкой, попыткой заманить американцев в ловушку, в которую уже попались английские линкоры. Эсминцы сопровождения погасили огни и на малом ходу стремились подобраться к вражеским судам, кроме двух, спасавших людей с тонущего ЭБР. На новых эсминцах в торпедные аппараты спешно заряжали торпеды — обычные, не глубокоходные. Но в ордере сопровождения шло четыре эсминца старой, дореволюционной постройки — каждый из них имел по две "новых" торпеды. В плане боя предполагалось, что эти корабли будут использованы для добивания противника или в случае крайней необходимости. Крайняя необходимость настала. Шесть новейших эсминцев бросились в демонстративную атаку на кильватерную колонну линкоров. На американских кораблях вахты неслись не в пример строже, чем на британских кораблях. Эсминцы попали под сосредоточенный огонь малокалиберных орудий, линкоры начали поворот, затрудняя прицеливание советским минёрам. Четыре старых эсминца крались в кильватер друг к другу, под углом к выходящим в атаку новым эсминцам и поначалу были не замечены, а затем, отстреляв из носовых и кормовых аппаратов торпедами, на полном ходу отошли. Американские линкоры во время отражения минной атаки продолжали вести огонь главным калибром по русским броненосцам, но из-за маневрирования при уклонении от торпед точность накрытий упала. Командир янки решил, что самоубийственная — два из атаковавших с фронта и один из двигавшихся вдоль берега эсминца тонули — атака должна была дать время русским тяжёлым кораблям уйти. Убедившись, что эсминцы противника отходят, он собирался отдать приказ на возвращение на боевой курс, но в этот момент две из "новых" торпед русских поразили второй из американских линкоров. С него начали сигналить о значительных повреждениях и начавшемся затоплении, корабль резко сбросил скорость. Американский адмирал представлял, как будет воспринята гибель одного из линейных кораблей его соединения и решил выйти из боя.
Американские линкоры отвернули на норд-норд-ост.
После отхода американских кораблей эсминцы сняли экипаж с "Осляби". Корабль имел огромные пробоины в носу от разрывов как минимум трёх 353-мм снарядов, машинное отделение было затоплено и броненосец полностью лишился хода. Хотя волнение стихало, остановить поступление воды сквозь пробоины, ушедшие ниже ватерлинии не удавалось. Буксиры с эсминцев рвались, мощности судовых машин для буксировки огрузневшего корпуса "Осляби" не хватало. Несмотря на отчаянные усилия, через полтора часа после боя броненосец затонул. "Мономах" также получил тяжёлые повреждения, но его модернизированная силовая установка позволила сохранить ход и выброситься на берег.
После поворота американских кораблей на север продолжавший колебаться в течение всего боя японский адмирал Камимура отдал распоряжение своему отряду на возвращение в свои порты. В своём дневнике, опубликованном в двадцатые годы, командующий японскими морскими силами упоминает, что "...после ознакомления с ультиматумом Советов я сомневался, подобает ли чести японского флота принять вызов либо помнить наказ императора сохранить флот для большего." За час до выхода Тихоокеанского флота из базы, на флагман Камимуры катер доставил советских парламентёров. Центральный Совет Приамурья предупредил японского командующего, что участие в морской интервенции будет стоить Японии дорого — в первую очередь ТОФ будет стремиться утопить именно японские корабли. Камимура не слишком сомневался, что в сражении с союзниками русский флот будет уничтожен — но какой ценой? Терять единственный современный линейный корабль Японии за чужие интересы было нелепо. Но чего не ожидали русские адмиралы, что японский "коллега" не сообщит своим союзникам о русском предупреждении и до окончательного перелома сражения в пользу советских сил будет занимать выжидательную позицию.
Русские крейсера первыми начали атаку на отходящие линкоры САСШ. С севера американцы противника не ожидали и советские корабли сумели выйти на дистанцию эффективного огня своих десятидюймовок. Весь огонь был сосредоточен на американском флагмане. Повреждённый линкор американцев отстал и находился в неудобном положении для стрельбы по русским кораблям, заходящим с острых носовых курсов. Основной броневой пояс и броню башен главного калибра снаряды 250-миллиметровок не пробивали, зато благодаря накрытию с первых залпов опытные комендоры русских крейсеров повредили системы управления и дымовые трубы, сбив янки пристрелку и вынудив уменьшить ход. Американские моряки отнюдь не потеряли своей выучки и после первого же залпа крейсеров начали отвечать, но уже второй залп уничтожил основной дальномер. За время, понадобившиеся для восстановления данных для стрельбы с резервного дальномера, советские корабли приблизились менее чем на три мили. По линкорам стреляли все их орудия, даже противоминные трёхдюймовки. Значительного ущерба этот бешеный обстрел огромной туше линкора не наносил, но кое-где начинали разгораться пожары. Как только огонь главного калибра американцев вновь стал действенным, практически сразу накрыв атакующих, русские крейсера дали залп из торпедных аппаратов и отвернули, ставя дымзавесу. Дымовая завеса не помешала вести прицельный огонь, сильный ветер сдувал дым в океан, но угроза торпедного попадания, после поражения систершипа, была воспринята более чем серьёзно и на какое-то время приковало всё внимание командования американского корабля, а когда стало очевидно, что торпеды прошли мимо, в редких облаках разорванной дымзавесы по правому борту вновь обозначился силуэт корабля — на расстоянии пяти-шести миль. Это вступил в бой ЭБР "Победа". Его орудия сразу причинили существенные повреждения головному линкору американского соединения — заклинило кормовую возвышенную башню, в борту появились первые пробоины, вновь прекратил работу дальномерный пост. Но "Победа" была в досягаемости орудий второго американского линкора и менее чем через десять минут американские артиллеристы добились накрытия. Получив тяжёлые повреждения, на русском броненосце замолчали носовые башни и он, ведя огонь лишь с кормы, начал медленно отходить на юго-восток. У адмирала Симса возник громадный соблазн повернуть за уходящим подранком и заметно увеличить счёт потерь Тихоокеанского флота. Флагман янки сбавил ход.
Прежде чем строй американских кораблей восстановился, с правого борта блеснули зарницы, и на головном корабле янки сквозь оседающие столбы воды и круговерть падающих обломков увидели проступающие тёмным силуэты четырёх броненосцев. Прокляв русских, Симс решил немедленно уходить из этой ловушки, где как чёртики из бутылки, выскакивают всё новые "мишени". Сосредоточив огонь на строе русских броненосцев, флагман начал увеличивать ход. Американский командующий отнюдь не собирался бросить свой второй корабль. Заняв выгодное положение спереди по курсу русской эскадры, он намеревался вынудить "красные" корабли отвернуть и выиграть время для повреждённого линкора на отрыв из боя. На русских кораблях успели восстановить управляемость артогнём, дистанция боя составляла менее 80-ти кабельтовых и сокращалась. Накрытия американского флагмана следовали одно за другим. Но качество постройки новейшего линкора не давало нанести ему фатальные повреждения. Сосредоточение всего огня на одном, флагманском корабле врага оказалось ошибкой. Хотя огонь флагмана был серьёзно ослаблен и неточен, зато на втором из линкоров сумели успешно восстановить управление артиллерией главного калибра и добились накрытия концевого мателота русской эскадры. Корабли старой постройки не держали повреждений, наносимых такими "бомбами", и "Святая Мария" начала быстро принимать воду. А через несколько минут удачный выстрел с флагмана янки вызвал взрыв боеприпасов носовой второй башни "Святого Александра". Превосходство американцев в кораблях вновь позволило им переломить ситуацию в свою пользу. Но русская эскадра продолжила бой, флагман американцев был уже менее чем в сорока кабельтовых от идущей первой "Полтавы", и шёл на пересекающихся курсах. В этот момент из-за кормы "Полтавы" в промежуток с горящим "Святым Александром" устремились четыре русских эсминца, выходя на острые курсы с кормы неприятельского корабля и оказываясь вне зоны огня большинства скорострельных орудий обеих американских линкоров. Приблизившись менее чем на двадцать кабельтовых, эсминцы, маневрируя, бросили торпеды в полуразворотах. Большая часть торпед бесследно канула в воду, но две отметились попаданиями в корму, причём была повреждена левая рулевая группа линкора. Сразу после отхода эсминцев с северо-востока на второй линкор американцев рванулась пара русских крейсеров, а после того, когда орудия линкора перенесли огонь на них — со стороны русской эскадры появились ещё два крейсера — старой постройки, вышедшие на подмогу из Находки и три старых эсминца. Американский линкор получил по одному попаданию торпедой с каждого борта примерно в середину корпуса — повреждения незначительные, но сотрясения от взрыва выбило подпоры и пластыри на пробоинах от первой торпедной атаки. Резко увеличилось поступление воды в корпус, линкор начал тяжело валиться с борта на борт с медленным возвращением к нормальному положению, огонь корабля практически стих. В этот момент по кораблю дала торпедный залп советская подлодка "Таймень". Из четырёх торпед с расстояния восемь кабельтовых в цель попала одна. Ещё две подлодки, действовавшие вместе с "Тайменем", успеха не добились. "Линь" так и не смог выйти в торпедную атаку, заливаемый волнами, получил повреждения от ударов волн и был вынужден с трудом пробиваться в порт. Ещё одна подлодка, "Налим", пропала без вести — скорее всего погибла, переломившись на волне или попала под случайный выстрел. В это время продолжался артиллерийский бой между двумя русскими броненосцами и поддерживающими их эсминцами и крейсерами и флагманом американцев. Накопившиеся повреждения всё-таки привели к существенному падению темпа стрельбы, и обходящие врага с кормы советские броненосцы практически не получали сдачи. Неожиданно по американскому флагману открыла огонь из кормовых полузатонувшая "Победа", накрыв носовую оконечность линкора. После третьего залпа из возвышенной носовой башни взлетел в небо огромный сноп огня, корабль быстро потерял ход и остановившись, начал погружаться носом. На корабле были подняты сигналы: " Терплю бедствие" и "Прошу прекратить огонь для спасения экипажа". Русские эсминцы, подойдя к борту американского линкора, начали снимать с него людей. Второй американский линкор, также остановив огонь, поворачивал на север. Но принявший командование эскадрой командир "Андрея Первозванного" контр-адмирал Кедров приказал преследовать отходящего противника и радировать требование о сдаче. Капитан второго линкора приказал открыть кингстоны и оставить тонущий корабль.
Советскими кораблями было принято более 1,5 тысяч американских моряков, включая адмирала и одного из капитанов кораблей.
Победа дорого обошлась русскому флоту. Пошли на дно четыре эскадренных броненосца, два крейсера, четыре эсминца, подводная лодка. Два ЭБР после месячного ремонта были ограниченно боеспособны, одному требовался полугодовой, как минимум. "Мономах" восстонавливать было нецелесообразно. Серьёзные повреждения получили три крейсера и эсминец. По сути, Тихоокеанский флот как реальная сила прекратил существование. Но как сила, влияющая на противника, ТОФ приобрёл огромное значение.
Второй из английских дредноутов также не смог выдержать штормовой переход в Японском море и не дойдя до Нагасаки ста миль, начал тонуть. Экипаж линкора перешёл на три крейсера сопровождения. Четвёртый был направлен за помощью в Нагасаки, но помощь не успела. Тогда этот крейсер был отослан принявшим командование на себя капитаном второго английского линкора контр-адмиралом Пекенхемом к Владивостокской группе, с целью отвода эскадры в порты Японии.
Потеряв связь с эскадрой Бронслоу, командующий владивостокским отрядом кораблей интервентов адмирал Фиск предпринял поиск на юг, с целью прояснить ситуацию. Вернувшийся крейсер ситуацию мало прояснил. В подобранных им в море спасательных шлюпках с американского линкора и русских кораблей было мало выживших — люди быстро гибли от переохлаждения под ледяным ветром в штормовом море. Тогда, оставив два крейсера для обеспечения порядка в ордере конвоя, с остальными силами адмирал Фиск двинулся к Находке. Шторм начал затихать, и в прояснившемся небе появилась русская авиация. В двадцати милях от русской базы американский флот атаковали шесть советских бипланов-торпедоносцев. Два, наиболее современные, с самыми опытными пилотами, несли тяжёлые "торпеды большого заглубления". Одна из них, единственная из пяти сброшенных торпедоносцами попала в цель — тяжелый кресер. Ещё один крейсер, ведший разведку проходов в минных полях, был атакован подлодкой "Таймень" и тоже получил торпедное попадание. Корабли американского отряда отдалились от Находки, чтобы исключить повторные нападения самолётов и подводных лодок. Перед американским адмиралом встала задача выбора. Либо продолжить десантную операцию — позиция по сути оборонительная, так как неясно было, какие потери понёс Тихоокеанский флот и какими силами он будет пытаться сорвать высадку десанта — а то, что командование русским флотом обязательно предпримет активные действия, теперь выглядело неоспоримым. Либо изменить замысел операции, сосредоточив все усилия на взятии и уничтожении главной базы русского флота. Повторять ошибку с разделением эскадры на две части никто не предлагал, не собирались янки и отказываться от высадки. Но для выбора одного из двух решений надо было узнать достоверно, где находятся остальные корабли блокировавшей Находку эскадры.
В этот момент произошло сразу два события. Первым стал крейсер из группы адмирала Пекенхема, посланный к Владивостоку с распоряжением о свёртывании операции. Американский адмирал не счёл приказ обязательным к исполнению, но был озабочен — потеря обеих английских линкоров и видимо, одного из двух американских, а также выход из состава эскадры японских кораблей сильно уменьшали возможности интервентов. Теперь, скорее всего, удар по Находке становился невозможным. Только успев принять решение о повороте на север и начале десантной операции, американский командующий получил радио с крейсеров, оставшихся с конвоем — конвой был атакован самолётами русских, один транспорт потоплен, два — существенно повреждены и с них снимают людей. На транспортах были погружены аэропланы для оккупационных сил, но их надо было выгрузить и собрать, а без собственной авиации защитить корабли с военными грузами и десантом от неожиданно эффективной воздушной угрозы было нечем. Несмотря на свою жажду славы, адмирал Фиск был достаточно осторожным человеком. Он подтвердил распоряжение формально командующего соединением второго из флагманов англичан. Флот интервентов покинул воды Советской Федерации.
В докладе в военно-морской комиссариат Совета Федерации, опубликованном в "Известиях СНК", исполняющий обязанности командующего Тихоокеанским флотом вице-адмирал Кедров от лица штаба ТОФ ответил, что гибель многих моряков, в том числе командующего Тихоокеанским флотом адмирала Эссена, была не напрасной: "Опыт современной морской войны подтвердил ряд эмпирических устоев русского флота, заложенных ещё Ушаковым — морские силы по причине действия на неограниченном театре обязаны к активным действиям, и захват инициативы есть главное предназначение флота. Страх большого сражения, грозящего тяжёлыми потерями, связал руки флотоводцам Англии и Германии, не дав им в решительном столкновении определить судьбу морского счастья. Так в Ютландском бою Германия лишилась последней надежды остановить Северо-Американские штаты от вступления в войну, а Британия так и не сумела подавить волю Германии к борьбе, уничтожив её флот. Тяжелейшие потери, понесённые Тихоокеанским флотом, всё же оправданы фактом отказа от интервенции англо-американской эскадры и подписанием мирных условий с японским правительством."
