14:34平远号的260毫米主炮击中了松岛的舷侧。这发炮弹击穿了松岛的船壳板，从左舷中部临时作为医疗室的军官次室斜穿而过，席卷了舱内后，又击穿了隔舱壁的1毫米钢板，飞入中部鱼雷发射室，从左舷鱼雷发射管下飞过，最后击中320毫米主炮炮架下方，摧毁了主炮的液压机构的油罐。这发命中使得多人伤亡，而主炮则彻底瘫痪，完全失去了作用。与此同时，松岛以速射炮对平远号展开猛烈的还击，平远号260毫米主炮旋转机构同样遭到破坏，主炮瘫痪。虽然双方都几乎在同一时间失去了主炮，然而两舰官兵继续用速射炮进行近距离搏斗。平远号重点对松岛刚刚挨了一发260毫米弹的地方进行攻击，15:10平远号的一发47毫米炮击穿松岛左舷中部鱼雷发射室上部，在桅杆下部爆炸，左舷两名鱼雷操作员身亡、左舷鱼雷发射管电路破损；日方人员回忆松岛甲板血肉相混，走路打滑，来不及冲洗时只能先在甲板上撒沙子。与平远号交战后，伊东下令本队右转折返，以左舷与北洋舰队主力继续作战。松岛距离定远约3000米时开始以左舷火炮攻击。此时从松岛上可以观察到定远号、镇远号两艘铁甲舰虽然长时间经受日舰攻击，但舰身外观依旧完整无大损伤；然而定远号此时主桅已经折断，上层甲板的人员伤亡和器具损坏看起来都相当严重。15:30就在定远号旁边不远的镇远号发射的两发305毫米炮弹先后击中松岛。镇远号的第一发炮弹很可能是实心弹，炮弹从松岛左舷火炮甲板第4号速射炮炮位（左舷舰艏开始第2门炮）上方穿过，然后横扫了整个炮廊，击穿主甲板从右侧打了一个洞飞入海中。第二发炮弹命中与上一发炮弹接近，不同之处在于这是一发装填了90磅黑火药的开花弹。这发炮弹直接命中了第4号速射炮的炮盾并发生爆炸，受到命中的120毫米炮整个炮身被炸飞，炮管因为巨大的冲击而扭曲成月牙形。而更为致命的是命中点堆积着大量的弹药，这门被炸飞了的120毫米炮的炮管猛烈地砸中了地上堆放着的炮弹和硫化棉发射药，引起了一连串的爆炸。爆炸产生的冲击波将松岛的前部主甲板顶高了2、3尺，左舷船壳板则撕开了一大块，支撑甲板的铁柱铁梁有不少受到冲击扯断。主甲板左右侧都造成了破洞，大量海水涌入舰内，舰体侧倾5度。接连的爆炸和随后的大火使得大量的电力、通信、蒸汽管道乃至升降口和梯子毁坏。火灾逐渐蔓延至火炮甲板下方的弹药库，而燃烧产生的有毒浓烟一度迫使日军损管人员无法靠近。然而对于日方来说万幸、对于中方则无比惋惜的是，此时战场上突然刮起大风，新鲜空气吹入松岛已经千疮百孔的舰体，减轻了毒气，消防队得以趁机进行灭火。经过30分钟的扑救，至16时左右大火方才熄灭。这一击使得28人当场丧生，另有68人重伤；全舰损失了将近1/3人员，再扣除掉尚需大量人员维持轮机部分的运作，此时松岛已经几近完全丧失战斗力，为了填补炮手空缺，军乐队也需要充当炮手。火炮方面，左舷120毫米速射炮损失严重，右舷火炮损失相对轻微；120毫米速射炮仅剩下5-10号炮共6门，其余尽皆损坏。松岛乘员试图重新组织攻势，然而舱内各种火炮操作设备和电缆损坏严重，舰上水兵只能到处摸索还能用的设备。至16时火灾扑灭，大火将司令塔内的液压舵机烧坏，只能依靠人力操舵。松岛已经完全无法再战，16:07伊东佑亨被迫下令挂起“各舰各自为战”的信号旗。当天海战最后阶段松岛基本不再参与。当天战斗松岛伤亡为全部日舰中最惨重的一艘，死57人、负伤68人，死亡人数占日军一半，负伤者也占了三分之一。