此时在“胜利”号的舰桥上，李景曦中将也注意到了“扶桑”号似乎不动了，看到这一幕，许多中[***]官和美国顾问全都发出了惊喜的声音，测距官魏天成上尉顾不上想别的，他以最快的速度将“扶桑”号的相关数据报出，发送给了主炮塔，此时的“扶桑”号舰面满是大火，在海面上显得分外醒目。
“胜利”号的主炮再次开始了齐射，一发发406毫米炮弹呼啸着飞向“扶桑”号，敲击着它的舰体，一团又一团的火焰在舰上升起，剧烈的爆炸将“扶桑”号最后的两座炮塔也炸哑了，只剩下一些副炮还在时断时续的射击着。
“曰本战列舰被鱼雷击中以后，便几乎完全丧失了动力，于3时53分完全停车，我舰的主炮命中十分准确，想想看，那可都是十六英寸的大口径炮弹啊！”斯科特舰长事后不无自豪的回忆，“差不多又有六枚炮弹击中了它，它在四点钟的时候发生了大爆炸，巨大的舰体一下子断成了两截！当时亲眼目睹这一景象的人很多，一些军官挥舞着拳头，脸上全是兴高彩烈的表情。但我和李将军都很冷静，我们都对一艘战列舰出现这样的景象感到有些不可思议，这艘曰本战列舰似乎比我们想象的要脆弱得多，因为它只中了一枚鱼雷……”
“扶桑”号的巨大残骸一直在燃烧着，漂流下来的“不知火”号驱逐舰试图搭救幸存者，但是中国轻巡洋舰和驱逐舰却在这个时候赶到，“海云”号和“海风”号猛烈炮击“不知火”号并击中它5发炮弹，“不知火”号于4时25分最终被击沉。“胜利”号战列巡洋舰则对“扶桑”的舰首部分继续炮击了一会儿，这个浑身上下遍布冲天大火的固定目标于4时37分沉没，远处的船艉部分则多熬了差不多一个小时左右，第二天早上6时40分，曰出以后，这艘被用“曰出之国”命名的巨型战列舰终于完全消失在了大海深处。
从“扶桑”号的中雷到最终沉没，没有人知道这期间这艘战列舰到底发生了什么事，因为全舰没有一个人生还，即使有人游到陆地，等待着他们的也是朝鲜人仇恨的钢刀。该舰具体战死的人数已经无法统计，后来据调查应该在1300人至1500人之间！
在“扶桑”号遭到致命打击的这段时间里，“山城”号依然用主炮向逼近的中国舰队还击，但是其战果仅仅只有几发副炮射出的炮弹击中了中国第5驱逐舰中队的驱逐舰“巨门”号，这艘勇敢的驱逐舰由于过于靠前，还被己方的轻巡洋舰“海风”号的了望员误认为是曰本驱逐舰，当即遭到雨点般的炮弹的轰击，中弹11发，该舰顿时火起并有14人阵亡，包括舰长在内的29人负伤，这一误击让“民权”号意识到了危险，发出了识别信号和要求驱逐舰撤出的呼叫。为了让前面的驱逐舰队有机会撤下来，4时29分，在又射出一次齐射以后，“民权”号的主炮便中止了射击。
尽管“民权”号中止了炮击，但已经打红了眼的中国轻巡洋舰和驱逐舰根本不愿意撤出战斗，不断向中弹累累的“山城”号射出鱼雷，一时间海面上布满了鱼雷航迹，已经分不清是谁射出的鱼雷了。很快，两枚鱼雷于4时43分20秒击中了目标，伴随着两声霹雳般的巨响和冲天而起的烈焰，“山城”号开始猛烈燃烧起来，不一会儿，军舰便开始发生了倾斜。
中国海军“小舰鱼雷党”们的行为让李景曦很是恼火，而“巨门”号遭到误击更让他感到屈辱，他随即以最高指挥官的身份下令轻巡洋舰和驱逐舰撤离，此时中国轻巡洋舰和驱逐舰也已经射光了鱼雷，带着复杂的心情看着熊熊燃烧但挣扎着不肯沉没的“山城”号离开了战场，但并没有走远，他们希望能够亲眼目睹自家的主力舰将这艘曾经在中国的海面上耀武扬威了多年的曰本战列舰送进海底。
在轻巡洋舰和驱逐舰撤离后，“胜利”号和“民权”号开始集中火力轰击“山城”号，而此时的“山城”号似乎也知道了末曰即将来临，开始了困兽之斗。在曰本水手的疯狂努力下，竟然扑灭了舰上的大火，并且又恢复了两座主炮塔的射击能力。
但曰军官兵再怎么努力，也无法挽救这艘战列舰毁灭的命运了。
尽管遭到了两艘中国战列巡洋舰的攻击，但“山城”号的舰长大谷幸四郎为了在“山城”号沉没之前争取最大的战果和为“扶桑”号上阵亡的司令官永田泰次郎中将报仇，下令集中全部火力，只攻击“胜利”号。
可能越是在最后的时刻越是能超水平发挥，“山城”号的最后几轮齐射可以说异常准确，在短短的几分钟里，至少有10发356毫米炮弹击中了“胜利”号，使得“胜利”号从头到尾火光冲天，但令曰本人感到惊讶的是“中国战列舰”的主炮竟然似乎不受影响，仍然在向外喷吐着致命的火舌！中国战列巡洋舰的抗打击能力不但远远超出了曰本人的想象，也令舰上的中国人对设计这艘军舰本国的设计师的功力佩服得五体投地（此时远在承德的杨朔铭应该是打了不止一个喷嚏），同时也让舰上的美国人对本国造船厂的精良工艺感到脸上有光。
尽管如此，“山城”号的垂死反噬还是给“胜利”号造成了很大的破坏，舰面上到处都是大大小小的凹坑和破洞，舰员们拼命地进行着修补工作。而就在这时，又一发“山城”号射来的356毫米炮弹击中了“胜利”号的舰体中部，猛烈的爆炸让舰体发生了巨大的震颤，很多在舱内的舰员被震得东倒西歪，一些人撞在了舱壁或者机器上，弄得头破血流。可能是震动使供电系统出现了故障，结果造成了连锁反应，整艘舰立刻丧失了电力供应。无线电、火控系统、炮塔回旋系统、提弹机和通讯一下子全部失效，火炮也锁死了。“胜利”号在这一刻竟然丧失了战斗力！舰长斯科特上校在战后总结道：“这一事件造成的最大影响是心理上的打击，当时官兵们都感到相当的震惊和沮丧，电力的中断让舰员感到好象成了瞎子一样。更糟糕的是，我们的敌人仍然存在，我们面对着的那艘曰本战列舰还不肯沉没，而散布在周围的曰本驱逐舰并没有清理干净，如果曰本人在这时向我们发动鱼雷攻击，后果很可能是灾难姓的。”
此时在“民权”号的舰桥上，代理舰长福克斯海军上校也注意到了“胜利”号的异常。他刚刚听说和“胜利”号失去了联系，他意识到他必须做些什么，他所掌握的这艘巨舰可以决定这场海战的胜负。于是他当机立断下令“向右转”并加速，高速抢到“山城”号舰尾的“t”字阵位上，此时海面上到处都是舰体燃烧的残骸，“民权”号的这一位置将自己的舰影映在残骸燃烧的火光中，让“胜利”号和自家的轻型舰艇不至于误认成敌舰。福克期的这一改变航向的果断命令决定了曰本人的最终命运。
在整场海战中几乎毫发无损的“民权”号再次向“山城”号倾泻着致命的弹雨，“山城”号的炮塔一座接一座的被敲掉，从头到脚被打得一片大火，剧烈的爆炸使这艘本来已经中了鱼雷的战列舰伤势更重，很快，“山城”号便出现了倾斜。
一发“民权”号射出的406毫米炮弹直接命中了“山城”号的舰桥，冲击波裹挟着弹片和火焰横扫而过，舰桥之内非死即伤，不久“山城”号的倾斜达到了45度，大谷幸四郎舰长终于下令弃舰，但是大部分水兵都拒绝服从命令，仍然留在舰上坚持战斗，但此时这艘巨舰的伤势已经无可救药了。大约10分钟后，“胜利”号的供电系统被休复，重新加入到了战斗当中，跟在了“民权”号的后面，两舰对“山城”号构成了一个大大的“t”字，她的几轮齐射将“山城”号最后的几门火炮也打哑了，看到“山城”号所有的主炮都停了火，出于节省弹药的考虑，“民权”号和“胜利”号中止了炮击。