中國海軍分艦隊和日本本土艦隊的戰鬥，於月2日中午2點20分在鳥島以西一百公裏海域爆發。當時，中國海軍分艦隊從西面殺來。而日本本土艦隊指揮官柴山矢八少將一四艘高速的裝甲巡洋艦（中國海軍稱重巡洋艦）向日本艦隊殺過來，他就知道今天是逃不了了，只得迎戰。
2點20分的時候，雙方相距萬兩千米，『四川』號戰列艦打出了這一次海戰的第一輪齊射。此時的戰列線，李海濤少將的命令是『四川』號戰列艦，『西安』號重巡洋艦、『蘭州』號重巡洋艦對戰『富士』號戰列艦，『高原』號戰列艦、『西寧』號重巡洋艦和『武漢』號重巡洋艦對戰『八島』好戰列艦，採用的是三打一的策略，這讓日本艦隊陷入了被圍攻之中。此外，在主力對決之外，雙方的輕巡洋艦和驅逐艦也絞殺在一起，更為的慘烈。
2點0分，完成校準的中國海軍分艦隊，紛紛開火。此時，雙方的距離已經縮短到了一萬米了。日本本土艦隊的指揮官柴山矢八拼命的想要縮短雙方的交戰距離，但他的努力，根本就是徒勞的。此時的中國海軍，已經形成了在一萬米左右的距離上交戰的一整套的戰術，豈容日本海軍破壞的。不得已，日本海軍只得在這個距離上和中國海軍比拼運氣了。
雖然交戰的戰艦數量少，但這裏的戰鬥依舊非常的激烈。2點55分，『蘭州』號重巡洋艦率先完成了對『富士』號戰列艦的跨射，這讓在『富士』號上指揮戰鬥的柴山矢八嚇出了一身的冷汗。戰鬥開始還不到半個小時的時間，中國海軍就已經完成了跨射，這表明，在炮擊的精度上，日本海軍已經處於了完全的下風。
點5分，『蘭州』號重巡洋艦的一枚20毫米炮彈，命中了『富士』號的右舷，炸出了一個大洞，摧毀了一門副炮。不過，爆炸的地方在水線之上，並未對『富士』號造成致命的威脅。
點40分，『西安』號的一枚炮彈，在『富士』號左側十多米的地方爆炸，形成近失彈。炮彈爆炸，形成的巨大擠壓力，將『富士』號的水下裝甲撕開了一道一米多長的口子。洶湧的海水向『富士』中涌去，『富士』號上的水手們，用盡了九牛二虎之力才將口子堵住。
這個時候，柴山矢八到了中國海軍的重巡洋艦對日本艦隊的威脅。他下令將炮擊的目標從中國海軍的戰列艦轉向重巡洋艦。他深知，這一場海戰，日本輸掉已經是肯定的了，但是，他希望能夠對中國海軍也造成巨大的損失，這樣的話，他們的死也不算白死了。
4點24分，『西寧』號重巡洋艦命中『八島』號的艦尾，擊穿了『八島』號的後甲板，將小半個艦尾都切去了。
4點5分，『八島』號的一枚05毫米主炮炮彈，也命中了最後面的『武漢』號重巡洋艦，在艦舯部的水線之上，炸出了一個大洞，炸飛了兩門速射炮。
而中國海軍分艦隊的戰列艦，不知道是怎麼回事，一直到了5點之後，才開始發揮出真正的威力。
5點22分。『高原』號的一枚05毫米艦炮，正中『八島』號的艦首，將整個艦首都炸掉，使得『八島』號深受重創，速度也降了下來。
緊接着，5點40分的時候，『高原』號的一枚05毫米炮彈，擊中了『八島』號水線附近的裝甲，撕開了一道三米多寬的口子。洶湧的海水灌入，使得『八島』號發生了嚴重的傾斜，『八島』號的損管人員也無能為力。幾乎在同一時間，『武漢』號打出的一枚20毫米炮彈，命中『八島』號的艦橋，殺死裏面包括艦長在內的所有軍官。十分之後，『八島』號就沉入了海底。
『富士』號的處境也好不到哪裏去。在5點6分的時候，『四川』號第一次命中了『富士』號。一炮將前桅杆炸掉，使得『富士』號遭到了重創。
在接下來的半個小時之內，『四川』號和『西安』號以及『蘭州』號，分別命中『富士』號。最致命的一發炮彈，是『蘭州』號打出的。這枚炮彈，擊穿了『富士』號的後主炮下面的裝甲，並且引爆了彈藥庫，劇烈的殉爆，使得『富士』號被炸成了兩截，在兩分鐘之內就沉入了海底，上面的數百日本士兵，無一生還。
至此，日本海軍的所有主力艦，全部被擊沉或者俘虜。
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