Через четверть часа после начала боя «Ослябя» потерял грот-стеньгу, а в носовой части было не менее 15 пробоин. Корабль постепенно оседал носом и кренился на левый борт. Крупный снаряд, разрушив броню, попал в угольную яму № 10, которую быстро затопило; вода стала распространяться в левую запасную крюйт-камеру. Для выравнивания крена стали затапливать правые коридоры, а затем и патронные погреба. По врагу продолжали стрелять кормовая башня и два 152-мм орудия кормового каземата, остальные орудия были выведены из строя.
Около 14.30 «Ослябя» с креном до 12° на левый борт, зарывшись носом по самые клюзы, выкатился из строя вправо; на рострах бушевал пожар. Вода с левого борта дошла до нижних орудийных портов и стала через них потоками вливаться внутрь. Руководивший борьбой за живучесть лейтенант М. П. Саблин, убедившись в невозможности остановить распространение воды, поднялся на мостик и доложил о неизбежности гибели броненосца. Командир капитан 1 ранга В. И. Бэр, получивший ранение в начале боя, приказал команде выходить наверх и спасаться. Сам он покинуть корабль отказался.
Около 14.40 «Ослябя» лёг на борт и спустя несколько минут затонул. С броненосцем погибло 23 офицера, 9 кондукторов и 472 нижних чина. Подошедшие к месту гибели корабля миноносцы «Бравый», «Буйный», «Быстрый» и буксирный пароход «Свирь» подняли из воды 376 человек, однако 27 из них в продолжавшемся сражении впоследствии погибли.
