«Адмирал Нахимов» перед последним походом, Балтика, 1904 г.
Последний парад. Николай II обходит строй офицеров крейсера. Ревель, 26 сентября 1904 г.
14 мая эскадра З.П.Рожественского после долгого 17 000-мильного перехода встретила превосходящие силы японского флота под командованием адмирала Х.Того в Корейском проливе у островов Цусима. Замыкавший 2-й броненосный отряд «Адмирал Нахимов» шел восьмым в длинной кильватерной колонне главных сил. Как и все русские корабли, крейсер вступал в бой перегруженным: на борту имелся полный запас угля, провизии, смазочных материалов и около 1000 т воды в междудонном пространстве. Когда флагманский «Князь Суворов» открыл огонь по разворачивающимся для охвата головы русской колонны японским кораблям, «Нахимов» находился в 62 кабельтовых от ближайшего противника, и его снаряды еще не могли достигать до цели. Но как только позволила дистанция, орудия крейсера включились в общую канонаду, после каждого залпа окутывая его густыми клубами дыма. В начале боя «Нахимов» не привлекал внимания японских кораблей, которые сосредоточили огонь на головных броненосцах. Всего через полчаса после открытия огня вышел из строя «Ослябя», вскоре опрокинувшийся через левый борт и ушедший на дно с большим дифферентом на нос. Засыпая градом снарядов один русский броненосец за другим, японцы превращали их в груды пылающих обломков; к концу дня погибли «Александр ИЬ и «Бородино». Буквально на несколько минут пережил их и полностью разбитый флагман З.П.Рожественского «Князь Суворов», торпедированный японскими миноносцами.
«Адмирал Нахимов» в дневном бою из-за постоянного выхода из строя головных кораблей иногда оказывался даже четвертым в русской колонне, и на его долю пришлось почти 30 попаданий снарядов калибром от 76 до 305 мм — в основном во время жаркой перестрелки с броненосными крейсерами вице-адмирала Х.Камимуры около 18.30. На нем разрушило надстройки, выбило из строя несколько орудий, убило 25 и ранило 51 человека. Но фатальных повреждений и подводных пробоин удалось избежать, и старый корабль оставался боеспособным, уверенно держа место в строю за броненосцем «Наварин». О результатах его ответного огня по противнику известно мало. Капитан Пэкингхем, представитель английского Адмиралтейства, находившийся во время Цусимского сражения на японском броненосце «Асахи», после боя, скрупулезно собрав сведения о повреждениях японских кораблей, насчитал только три пробоины от 203-мм снарядов, попавших в броненосный крейсер «Ивате», которые можно отнести на счет «Нахимова» (других кораблей с орудиями такого калибра на русской эскадре не было). Но они не нанесли кораблю младшего флагмана контр-адмирала Х.Симамуры серьезных повреждений, и уже 15 мая «Ивате» отличился при потоплении броненосца береговой обороны «Адмирал Ушаков».
Вечером остатки разгромленной эскадры возглавил контр-адмирал Н.И.Небогатое, перешедший со своим отрядом во главу колонны, так что «Нахимов» оказался концевым. После нескольких резких отворотов на SW и О в попытке оторваться от появившихся со всех румбов пяти десятков японских истребителей и миноносцев Небогатое взял курс на Владивосток. Корабли его отряда, приученные ходить сомкнутым строем в полной темноте, вместе с поврежденным броненосцем 1-го отряда «Орел», удачно отражая атаки миноносцев, стали на 12-узловой скорости удаляться от поврежденных «Адмирала Ушакова», «Наварина», «Сисоя Великого» и «Нахимова». Последние три корабля включили прожекторы, обнаружив свое положение, и именно на них пришлись основные торпедные атаки.