Утром 15 мая крейсер оказался между островом Дажелет и восточным берегом Кореи. Около 7 ч сзади появились силуэты японских крейсеров «Отова» и «Ниитака» и истребителя «Муракумо». Оба крейсера вместе были значительно сильнее «Светланы». Да и снарядов на ней оставалось мало после боя 14 мая. Пробоина в носу, полученная 14 числа, мешала крейсеру развить полную скорость, бой был неминуем. Военный совет был недолгим и решение офицеров единогласным: сражаться, пока хватит снарядов, а потом корабль затопить. Командир обратился к присутствующим со словами: «В такую горькую минуту вы, господа офицеры, очень порадовали меня своим единомыслием. А теперь по местам по боевой тревоге!»
«Светлана» успела поразить крейсер «Отова» двумя снарядами, но и в наш крейсер, старавшийся сбить стрельбу японцев маневрированием, начались попадания. Первым из офицеров был убит наповал командир кормового плутонга лейтенант Александр Евгеньевич Арцыбашев, затем подбита левая машина и средняя кочегарка. Ход корабля резко уменьшился…
Снаряды на «Светлане» быстро закончились в результате затопления носовых погребов, крейсер остановился, и командир его капитан 1 ранга Сергей Павлович Шеин приказал спустить единственную уцелевшую шлюпку, чтобы на неё погрузить раненых. Шлюпку спустили, но очередной разрыв снаряда разбил ее в щепки и смертельно ранил командира шлюпки лейтенанта Дмитрия Павловича Толстого.
Были открыты кингстоны, и крейсер всё больше погружался в воду и кренился на левый борт. Стеньги мачт были сбиты, упала задняя труба. Японские снаряды сделали неузнаваемым нарядный крейсер, но не смогли сломить боевой дух героического экипажа «Светланы»… В 11 ч 08 мин крейсер «Светлана» ушел под воду с поднятым кормовым и стеньговыми флагами.
Японские корабли не оказали никакой помощи русским морякам. Более того, крейсер «Отова» рассек корпусом скопление плававших в холодной воде людей. В результате утонули квартирмейстер Соломенский, матрос Сироченко, священник Хандалеев, кок Егоров. Только через 3 часа к месту гибели «Светланы» подошёл японский транспорт «Америка-Мару» и подобрал тех, кто сумел удержаться на поверхности моря.
Мужество всей команды «Светланы» в бою было бесподобно. Очевидцы свидетельствуют о спокойствии и хладнокровии матросов, делавших свое дело при самых трагичных обстоятельствах. Так, плотники Василий Никулин и Адо Лепп при пробоине в носовой части, случившейся в 15 ч, с риском для жизни бросились укреплять переборки, тем самым продлив жизнь корабля. Квартирмейстер Емельянов возглавил тушение пожара вблизи порохового погреба и тем самым спас корабль и многих людей от мгновенной гибели. Комендор Ярута из кормового плутонга попал в японский крейсер «Отава», но и сам погиб вскоре. Второе попадание в японский крейсер совершил комендор Мякотников, считавшийся лучшим наводчиком русского корабля.
Кают-компания «Светланы» потеряла 10 человек: 9 погибли в бою и 1 умер от ран в Японии. Из команды крейсера утонуло и умерло от ран в плену 167 моряков. Величайшее мужество и самоотвержение экипажа «Светланы» отметила комиссия по разбору обстоятельств Цусимского боя, и выжившим офицерам без различия чинов был присвоен орден Св. Владимира 4 ст. с мечами и бантом, как свидетельство подвига всего экипажа. В память о доблести корабля «Светланой» был назван головной корабль новой серии крейсеров, заложенных в 1913–1914 годах на балтийских и черноморских судостроительных заводах России. До Октябрьской революции они достроены не были, и уже в советское время новая «Светлана» прославилась под именем гвардейского крейсера «Красный Крым».