そうした状況を憂慮したロシア皇帝ニコライ二世は、戦局を一挙に挽回するために、第二太平洋艦隊（以下バルチック艦隊と記す）を編成、司令長官には、侍従武官・軍令部長ロジェストヴェンスキー少将（後に中将）を任命した。
その陣容は、新鋭戦艦５隻と旧式戦艦を主力に補助艦艇多数を配した強力なる艦隊で、途中に一つも基地のない１８０００海里を超えて長躯旅順に向かうという遠大な作戦である。 この決定は４月末に発表されたが、艦艇の整備に手間取り、実際には７月４日になって同艦隊が編成され、リバウ軍港の出発は明治３７年１０月１５日のことであった。

バルチック艦隊の各艦船は、その名のとおりバルト海のような内海での運用を考慮して建造されたため、復元力が弱く、艦首部の装甲が弱いという共通の弱点があった。さらには照準機や測距儀等の装備にも欠陥が多かった。加えて乗組員も、急遽農村部から徴発された者が多く、出港を前に戦術的教育を実施する必要があり、航海途中においても操艦訓練や砲術訓練を反復させなければならなかった。
全航路を走航するには９０日、さらに石炭、水積込みなどのために６０日の日数が予定され、朝鮮海峡に達するのは１５０日後、つまり順調に航海できれば、３月中旬には日本本土近くに到達できることが予想された。

数十隻にものぼる大艦隊の航海は、燃料とのたたかいでもあった。石炭は極めて燃料効率が悪く、おおむね３、４日ごとに補給しなければならない。大航海に費やされる石炭の量は、約２４万トンという驚くべき量である。それらは、航路途中の港に配置されている外国から雇い入れた石炭船から補給を受けるが、艦隊自身も多くの石炭船を従え、食料、水を満載した運送船も同行させていた。

補給信号が発せられると、大型の石炭船が艦艇に接近し船体を横付けする。波に揺れる中での接舷は非常に危険であったが、波の穏かな日は、熟練した操舵によってそれを可能にした。そして石炭船のクレーンで吊り上げられた石炭の俵や水が甲板に移され、機関部員たちが艦内に運び込む。この石炭の洋上補給は、ロシア海軍が生み出した画期的な作業方法であった。ただし、うねりや波の高い洋上での作業時は、ハシケやカッターに石炭を積み替え、さらにそれを補給する艦艇に移さなければならず、非常な困難を伴った。

その頃ロシア東洋艦隊は、修理中を含めて５隻の戦艦が旅順港内に潜んでいた。その上ロシア本国から東航するバルチック艦隊には、戦艦７隻が主力（実際は８隻）であると伝えられ、これらが合流すればロシアは１２隻の戦艦を有する大艦隊となる。これに対し聯合艦隊は、わずか４隻の戦艦で対抗しなければならない。巡洋艦以下の艦艇は聯合艦隊の方が勝っているとは云え、主力艦の斉射で艦隊一決の大勢は決する、という当時の海戦の常識から考え、このままでは日本海軍の敗北必至は誰の目にも明らかであった。

明治３７年１２月５日　旅順の２０３高地が陥落した。その山頂からは旅順港内と市街とが一望のもとに見下ろすことができた。我が重砲は敵艦に対して砲撃を開始、戦艦５隻中４隻、巡洋艦２隻ほかが撃沈、残る戦艦「セヴァストポリ」も我が水雷艇隊によって大破着底し、旅順艦隊は全滅、聯合艦隊はバルチック艦隊に総力を挙げて立ち向かう態勢をとることが可能となったのである。

仏領マダガスカル島北岸のノシベ泊地とインドシナ半島カムラン湾だけが、４０数隻１２０００名将兵の大遠征の休養・補給地であった。しかしこの艦隊に対してフランス政府の態度は、英仏関係を考慮して冷たかった。悪疫のはびこる灼熱の未開地ノシベ泊地では、当初２週間の停泊予定が２ヶ月にも延び、将兵の健康状態は急速に悪化、軍紀は極端に緩んだ。アフリカ海岸沿いの海図は不正確なものが多く、艦船の故障も相次いだ。ロシア人にとって灼熱の地は耐えがたいものがあり、運送船「マライア」では暴動が起こった程であった。

明治３８年１月１日　本国から正式に旅順艦隊が全滅したことが伝えられ、旅順艦隊と合流して圧倒的な戦力で決戦に臨むという目論見は潰え去る。酷熱と激浪のインド洋を経て、４月１４日たどり着いた補給地　ベトナムのカムラン湾でも、フランスの総督は本国の指示に基づいて３カイリ領海外への停泊を主張、さらには石炭の供給も拒否した。その頃スエズ運河を経て合流した支隊司令官（第２戦艦戦隊司令官）フェリケルザム少将が脳溢血で倒れ、精神衰弱気味のロジェストヴェンスキー長官は、遅れて到着するはずのネボガトフ少将指揮の第３艦隊を待ちながら４日間近海に遊弋、４月２６日　カムラン湾北方６０海里にあるヴァン・フォン湾沿岸を彷徨して、ここでも２０数日待機することとなった。

結局バルチック艦隊は、この非常識なまでの長期・長途の大遠征で、すでに健康を害し士気は沮喪し軍紀は弛緩するという、実戦力が著しく低下した状態のまま、運命の対馬沖へと向かうのである。

聯合艦隊司令長官東郷平八郎大将は、１２月３０日明治天皇に上奏後、翌年２月６日東京を列車で出発、呉軍港から旗艦「三笠」に乗り込んだ。２月１４日　艦艇を率いて呉軍港を抜錨、２１日には朝鮮南岸の鎮海湾に集結し猛訓練を行った。東郷長官は技量の面だけでなく精神の訓練も怠らず、「機先を制するは戦いの常法なり」と諭し「百発百中の砲一門は百発一中の砲百門に勝る」と訓示した。

訓練は猛烈を極めた。陣形運動が繰り返し行われ、敵発見から要撃戦、夜間の襲撃、追撃から撃滅へと一連の攻撃訓練は昼夜をわかたぬ激しいものであった。１０日間に平時の１年間分もの訓練用砲弾を消費したほどで、この間に砲撃の技量は約３倍に向上したといわれ、鎮海湾の内外には実戦さながらの厳しい訓練が展開された。聯合艦隊は戦艦の数では劣っていたが、速力と中小口径の砲数で勝り、士気と技能ならびに下瀬火薬の威力では著しく勝っていた。

�@　戦闘を覚悟の上で１日も早くウラジオストック軍港に直航、ここを拠点に改めて作戦を開始する。
�A　台湾・清国南岸またはさらに南方に根拠地を獲得し、反撃の時期を狙いながら日本の背後を脅かす。

遠征の途中ですら燃料補給に悩まされたバルチック艦隊が、改めて南方に拠点をつくり、そこで補給を行うとは考え難く、結局は�@案を採用するものと判断した。
では、バルチック艦隊は、対馬海峡、津軽海峡のいずれを通過するのか、さらには宗谷海峡から迂回するのか。

�@　最短コースである対馬海峡（朝鮮海峡）を通過する。
�A　日本艦隊の意表をつく作戦から、津軽海峡または宗谷海峡を通過する。

津軽海峡や宗谷海峡からは確かに行動は隠せるが、この時期は両海峡とも濃霧が立ち込める。地理に不案内で長い航海で疲弊している大艦隊が通過するのは極めて困難である。衝突や座礁の危険を冒してまで、慎重なロジェストヴェンスキー長官がこのコースを選択するとは思えない。
能登半島沖にて待機しいずれからも対応できる案も検討されたが、東郷司令長官の決心により、最終的には対馬海峡にて待機することとなった。

聯合艦隊の迎撃作戦は、作戦参謀秋山真之が考案したといわれる連続４昼夜にわたる七段備（かまえ）の戦法で、連携した波状攻撃によってウラジオストック到着前に敵艦隊の完全殲滅を目的としていた。

対馬海峡進入を前に、艦隊の一部を割いて太平洋上に進出させる陽動作戦を企図した。東郷長官以下の日本艦隊主力が対馬海峡を離脱した隙をついて、同海峡を突破しようと考えたためである。そのため仮装巡洋艦２隻と捕獲英国商船１隻を九州・四国の沖合いに出動させた。さらに５月２４日には、石炭運搬の任を終えた運送船６隻が仮装巡洋艦２隻とともに上海方面に向かった。この行動もロシア艦隊が黄海方面で行動中を装う陽動作戦の一種であったが、却って対馬海峡を通過することを暗示させる結果となった。

しかし２４日になっても我が哨戒線に現れず、ロシア艦隊の消息は不明だった。聯合艦隊司令部では、津軽海峡に迂回したのではないかと焦燥し、５月２５日　旗艦「三笠」における将官・参謀長会議では、同日午後３時に津軽海峡に向けての移動が決まりかけた。しかし、遅れて出席した第２艦隊参謀長藤井較一少将と同司令官島村速雄中将が反対したため、同日の移動は中止となり、折衷案として２６日まで敵艦隊の動向を見極めることとなる。２６日にはロシア艦艇の一部が東シナ海にいることが明らかになり、また天候が悪化したこともあり、再び移動は中止となった。結果的にはこれが日本に非常な幸運をもたらすこととなった。

注　ロシア本国から出港した全艦艇は仮装巡洋艦、運送艦などこれ以外にも若干存在するが、故障発生や陽動作戦などのため海戦に参加することなく途中から別行動をとっている。

ロシア本国に逃れたのは特務船（運送船）「アナドゥイリ」１隻のみ、目的のウラジオストック軍港に到達したのはヨット式小型巡洋艦「アルマーズ」、駆逐艦「ブラーヴィイ」「グローズヌイ」の三隻のみであった。

日本艦隊の損失は、第３４号艇、第３５号艇、第６９号艇の水雷艇三隻であった。

次席指揮官たるネボガトフ少将は、旗艦「ニコライ一世」に坐乗し、戦艦「オリョール」他３隻の５隻をもってウラジオストックに向かったが、５月２８日午前１０時過ぎ、我が艦隊に包囲されたのを見て戦うことなく降伏を決意。参謀長クロッツ中佐、「ニコライ一世」艦長スミルノフ大佐らとともに捕虜となった。
しかし巡洋艦「イズムルード」だけは降伏命令に憤激し東方に逃走、ロシア領内ウラジミール湾で座礁のち自爆、艦長フェルゼン中佐以下の乗員は徒歩でウラジオストックに向かった。巡洋艦「オレーグ」「アヴロラ」「ジェムチューグ」の３隻は、エンクゥイスト少将に率いられて比島マニラまで逃走、そこで米政府に抑留され武装解除された。

東郷大将は、敗北した敵軍人に武人としての名誉を尊重し、ロジェストヴェンスキー中将とネボガトフ少将に対してロシア皇帝への戦況報告の打診を許可した。これは戦時下にあって極めて異例のことであった。また捕虜に対する待遇も人道的なものであり、ここでも武士道精神が発揮された。

日本海海戦の日本圧勝のニュースは世界を驚愕させ、ほとんどの国が号外で報じた。
各国の報道を比較すると、おなじ有色人種として自国の勝利のように狂喜したアジアやアラブ各国、ロシアの南下を阻止したかった我が同盟国の英国やアメリカの新聞は、日本の勝利を手放しで称えた。一例を挙げると「ニューヨーク・サン」は社説で、「２０世紀のうちに日本は、間違いなく世界のトップに立つだろう」とまで述べた。
一方ロシアの同盟国フランスは、これ以上戦争を続ければロシアの国際的地位が低下することを危惧し、講和に応じるべきである、と従来の主張を急変させた。ドイツは、「戦後の孤立」を避けようと徐々に日本寄りに政策を転じていたが、この海戦を機に対日接近を明確にした。またオーストラリアやフィリピンの新聞には、「強国となった日本が侵攻してくる」と、警戒心を強める論調が目立ち始めた。
このように、日本海海戦を境に国際関係は大きく変動し、各国の新聞も自国の国益を求めて大きく論調を変えるに至った。

他方ロシア国内では、日本海海戦の敗北は５月３０日に初めて公表され、「海戦には敗れたがロシアの威力は常に陸軍である。満州には５０万人の兵があり講和に応じるべきではない」とする内容が多かったが、「戦争の行方は決した」とする論調も現れた。

日本海海戦（世界的呼称 対馬沖海戦）は、艦隊決戦主義を不動のものとし、大艦巨砲主義時代の幕開けを告げ、全世界の海軍戦術や建艦政策に大きな影響を与えた。
１８０５年のトラファルガー沖海戦を上廻る大勝利は、「パーフェクト・ゲーム」「東洋の奇蹟」と絶賛された。世界海戦史上のみならず世界史上に残るこの大偉業によって、東郷司令長官はネルソンに匹敵する偉大な提督として、世界にその名を轟かせることになった。