«Сирануи» открыл огонь из носового 76-мм орудия, но, убедившись, что противник не отвечает, прекратил стрельбу. Тем более, что с юга к «Нахимову» приближался вспомогательный крейсер «Садо-Мару», «главный трофейщик» японского флота (14 мая «Садо-Мару» отвел в бухту Миура захваченное госпитальное судно «Орел», а 15-го высаживал призовые команды на «Адмирала Нахимова» и «Владимира Мономаха»). «Сирануи», приблизившись на 8—10 кабельтовых, поднял сигнал по международному своду: «Предлагаю крейсер сдать и спустить кормовой флаг, в противном случае никого спасать не буду». Капитан 1 ранга Родионов приказал ответить: «Ясно вижу до половины», и тут же крикнул команде: «Спасайся, кто как может! Взрываю крейсер!»
На корабле среди тех, кто не успел сесть в шлюпки, началась паника. Многие бросались за борт с койками и спасательными кругами или поясами. Среди массы находившихся в воде людей, давя их форштевнем, кружил минный катер с заклиненным еще во время боя рулем. В конце концов катер остановился, и на него, невзирая на угрозы старшего офицера, полезли десятки обезумевших людей. От перегрузки катер сильно осел, через разбитые осколками иллюминаторы внутрь хлынула вода, и он быстро пошел ко дну, увлекая за собой тех, кто остался в кубрике и машинном отделении. Всего при эвакуации утонуло 18 человек.
«Садо-Мару» приближался, на ходу спуская шлюпки. Подойдя на 500 метров, он остановился, и капитан 1 ранга Камая послал на «Нахимов» призовую партию во главе со штурманом старшим лейтенантом Инудзукой. На борту «Нахимова» остались только штурман лейтенант В.Е.Клочковский и командир А.А.Родионов, который подал условный сигнал на шестерку. Однако взрыва не последовало — покидавшие последними крейсер гальванеры и минеры, считая его и так обреченным, перерезали провода. Мичман Михайлов после нескольких безуспешных попыток замкнуть контакты, видя приближающийся «Сирануи», приказал выбросить за борт батареи и провода.
В 7.50 на палубу медленно погружавшегося в воду крейсера ступили японцы и первым делом подняли на фок-мачте свой флаг. Но вскоре с «Садо-Мару» им приказали вернуться — на горизонте показался также торпедированный крейсер «Владимир Мономах». Приняв из воды 523 члена экипажа «Нахимова» (в том числе 26 офицеров) и вернувшуюся призовую команду, японский корабль погнался за новой добычей (по свидетельству побывавших на крейсере японцев, его повреждения от артогня были незначительны, а потери не превышали 10 человек).
Скрывавшиеся в кормовой части корабля Родионов и Клочковский после ухода японцев сорвали неприятельский флаг. Около 10 часов «Адмирал Нахимов» с большим креном на правый борт ушел носом под воду в точке с координатами 34 градуса 34 минуты с.ш. и 129 градусов 32 минуты в.д. Только вечером командира и штурмана подобрали рыбаки. Еще два офицера и 99 нижних чинов высадились со шлюпок у местечка Моги на о. Цусима, где и были взяты в плен.
Вместе с большинством других кораблей 2-й Тихоокеанской эскадры крейсер 1 ранга «Адмирал Нахимов» исключили из списков Российского императорского флота 15 сентября 1905 года. В первую мировую войну его имя присвоили легкому крейсеру Черноморского флота, который был достроен уже в советское время и переименован в «Червону Украину».