日本本土舰队从横须贺军港出海之后，就一直被中国海军分舰队的轻巡洋舰和驱逐舰跟踪。随时随地将日本海军本土舰队的动向向分舰队报告。当东乡平八郎自以为甩掉了中国海军，安全的进入太平洋之后，原本在八丈岛以南海域逗留的日本本土舰队，快速的南下，企图和日本回国舰队汇合。而这个时候，中国海军分舰队已经接到命令，快速的向日本本土舰队杀过去了。
中国海军分舰队和日本本土舰队的战斗，于3月12日中午12点20分在鸟岛以西一百公里海域爆发。当时，中国海军分舰队从西面杀来。而日本本土舰队指挥官柴山矢八少将一看四艘高速的装甲巡洋舰（中国海军称重巡洋舰）向日本舰队杀过来，他就知道今天是逃不了了，只得迎战。
12点20分的时候，双方相距1万两千米，‘四川’号战列舰打出了这一次海战的第一轮齐射。此时的战列线，李海涛少将的命令是‘四川’号战列舰，‘西安’号重巡洋舰、‘兰州’号重巡洋舰对战‘富士’号战列舰，‘高原’号战列舰、‘西宁’号重巡洋舰和‘武汉’号重巡洋舰对战‘八岛’好战列舰，采用的是三打一的策略，这让日本舰队陷入了被围攻之中。此外，在主力对决之外，双方的轻巡洋舰和驱逐舰也绞杀在一起，更为的惨烈。
12点30分，完成校准的中国海军分舰队，纷纷开火。此时，双方的距离已经缩短到了一万米了。日本本土舰队的指挥官柴山矢八拼命的想要缩短双方的交战距离，但他的努力，根本就是徒劳的。此时的中国海军，已经形成了在一万米左右的距离上交战的一整套的战术，岂容日本海军破坏的。不得已，日本海军只得在这个距离上和中国海军比拼运气了。
虽然交战的战舰数量少，但这里的战斗依旧非常的激烈。12点55分，‘兰州’号重巡洋舰率先完成了对‘富士’号战列舰的跨射，这让在‘富士’号上指挥战斗的柴山矢八吓出了一身的冷汗。战斗开始还不到半个小时的时间，中国海军就已经完成了跨射，这表明，在炮击的精度上，日本海军已经处于了完全的下风。
13点15分，‘兰州’号重巡洋舰的一枚280毫米炮弹，命中了‘富士’号的右舷，炸出了一个大洞，摧毁了一门副炮。不过，爆炸的地方在水线之上，并未对‘富士’号造成致命的威胁。
13点40分，‘西安’号的一枚炮弹，在‘富士’号左侧十多米的地方爆炸，形成近失弹。炮弹爆炸，形成的巨大挤压力，将‘富士’号的水下装甲撕开了一道一米多长的口子。汹涌的海水向‘富士’中涌去，‘富士’号上的水手们，用尽了九牛二虎之力才将口子堵住。
这个时候，柴山矢八看到了中国海军的重巡洋舰对日本舰队的威胁。他下令将炮击的目标从中国海军的战列舰转向重巡洋舰。他深知，这一场海战，日本输掉已经是肯定的了，但是，他希望能够对中国海军也造成巨大的损失，这样的话，他们的死也不算白死了。
14点24分，‘西宁’号重巡洋舰命中‘八岛’号的舰尾，击穿了‘八岛’号的后甲板，将小半个舰尾都切去了。
14点35分，‘八岛’号的一枚305毫米主炮炮弹，也命中了最后面的‘武汉’号重巡洋舰，在舰舯部的水线之上，炸出了一个大洞，炸飞了两门速射炮。
而中国海军分舰队的战列舰，不知道是怎么回事，一直到了15点之后，才开始发挥出真正的威力。
15点22分。‘高原’号的一枚305毫米舰炮，正中‘八岛’号的舰首，将整个舰首都炸掉，使得‘八岛’号深受重创，速度也降了下来。
紧接着，15点40分的时候，‘高原’号的一枚305毫米炮弹，击中了‘八岛’号水线附近的装甲，撕开了一道三米多宽的口子。汹涌的海水灌入，使得‘八岛’号发生了严重的倾斜，‘八岛’号的损管人员也无能为力。几乎在同一时间，‘武汉’号打出的一枚280毫米炮弹，命中‘八岛’号的舰桥，杀死里面包括舰长在内的所有军官。十分之后，‘八岛’号就沉入了海底。
‘富士’号的处境也好不到哪里去。在15点36分的时候，‘四川’号第一次命中了‘富士’号。一炮将前桅杆炸掉，使得‘富士’号遭到了重创。
在接下来的半个小时之内，‘四川’号和‘西安’号以及‘兰州’号，分别命中‘富士’号。最致命的一发炮弹，是‘兰州’号打出的。这枚炮弹，击穿了‘富士’号的后主炮下面的装甲，并且引爆了弹药库，剧烈的殉爆，使得‘富士’号被炸成了两截，在两分钟之内就沉入了海底，上面的数百日本士兵，无一生还。
至此，日本海军的所有主力舰，全部被击沉或者俘虏。
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