日本海军联合舰队司令官东乡平八郎看到海战情况对己方不利，当机立断率领舰队撤出了战场，逃往了日本佐世保海军基地。
东北海军第一舰队、第二舰队和第三舰队歼灭了留下断后的日本军舰，发现日本海军联合舰队主力已经没有了踪影，雅德号的舰长孙才对第三舰队的指挥官，也是这场海战的总指挥姜辉说道：“指挥官，我们还继续追击日本海军联合舰队吗？他们应该是逃往了日本佐世保！”
姜辉点了点头，他也认为日本海军联合舰队剩下的军舰应该逃往日本佐世保海军基地，如果继续追击，则不但需要面对日本海军联合舰队剩下的主力，还要面对佐世保海军基地岸防炮的轰击，姜辉已经在心中打消了继续追击的想法。
通过东北军情局的情报，这几年日本受到当时林大鑫带着舰队肆虐日本港口城市的刺激，大力在各个主要港口修建永久性炮台，佐世保港口就修建了8座炮台，拥有大口径岸防炮数十门，而且日本人修建的这些港口炮台都是钢筋混凝土结构的，主要部位厚度超过1米，坚固异常，就是305毫米的舰炮远距离击中，也难以击穿厚厚的炮台。
姜辉用雅德号上的电台和另外2位舰队指挥官孙喜涛和蒋晨商量了一下，决定停止追击日本海军联合舰队，继续护送几十艘搭载定北军的第二十一师、第二十二师和第二十三师的运输船，北上库页岛，于是姜辉给后面的运输船发电报，让运输船向对马岛方向前进。
随后东北海军各支战队和突击队开始调头，准备在对马岛附近等待后面的运输船。
虽然海战经历的时间不长，但是东北海军的损失也不算小，载德号全钢制战列舰和巢湖号全钢制战列舰沉没，另外第三舰队的兴建号，这艘缴获的排水量11092吨的俄国圣女贞德级大型快速装甲巡洋舰，也被日本海军的鱼雷艇用鱼雷击沉，第二舰队的兴克号，这艘缴获的排水量10500吨的法国迪普莱级大型快速装甲巡洋舰，在和日本海军大型快速装甲巡洋舰的对轰中被击沉。
此外还有3艘防数级快速防护巡洋舰，4艘驱数级驱逐舰和7艘雷A级鱼雷艇在海战中被击沉。
东北海军3支舰队剩下的军舰也很多都带伤，特别是全钢制战列舰和大型快速装甲巡洋舰这些主力军舰，在和日本海军联合舰队主力军舰对轰中，基本上没有毫发无损的。
不过这场短暂的海战，最后的胜利依然属于东北海军，不但是因为最后日本海军联合舰队逃跑了，还因为联合舰队的损失比东北海军要大的多。
等日本海军联合舰队逃进佐世保的港口内，司令官东乡平八郎一清点进入港口的军舰，发现整支舰队已经比海战出发前，少了很多艘。
第二战列舰队的山城号和第四战列舰队的加古号，2艘全钢制战列舰在海战中被击沉，从英国购买的由良号铁甲战列舰和鬼怒号铁甲战列舰被击沉，从购买英国海军4艘老式铁甲舰占守号、香取号、常盘号和津轻号，全部沉没无一幸存。
排水量9700吨的浅间级大型快速装甲巡洋舰筑摩号和摩耶号被击沉，筑摩号是中了尖刀号潜艇的鱼雷沉没的，摩耶号则是在和东北海军大型快速装甲巡洋舰的对轰中，被炮弹击沉的。
日本海军联合舰队还损失了吉野级快速防护巡洋舰滨利号、若叶号、城可号、绫空号，购买意大利的4艘快速防护巡洋舰朝云号、山云号、夏云号、峰云号，也在断后的交战中全部沉没，联合舰队第一驱逐舰队和第二驱逐舰队的6艘驱逐舰全部沉没，还损失鱼雷艇24艘。
虽然日本海军联合舰队损失很大，但是因为司令官东乡平八郎的果断，让联合舰队的主力尚存，还有资本继续和东北海军争夺制海权。
在海战的战场之外，有几艘海战的各国观察船，其中有2艘英国的快速防护巡洋舰，1艘美国的防护巡洋舰、1艘德国的快速防护巡洋舰和1艘法国的驱逐舰，这些军舰都是从上海刚刚赶过来的，跟随在东北海军舰队的身后，就是为了观察东北海军和日本海军的交战情况。
此时上海的公共租界和法租界，居住着大量的英国人、法国人、美国人、德国人，4国都在上海驻扎了规模不大的海军。
看到这场海战已经结束了，4国的军舰只有1艘英国的快速防护巡洋舰离开了，要去找一个港口城市，这艘英国军舰还搭载了其他3国的观察员代表，他们准备把海战的结果传回国内，其他3艘军舰还将留在这片海域，或者跟随东北海军，或者跟随日本海军，准备继续观察着东北海军和日本海军接下来交战的情况。
东北海军第一舰队、第二舰队和第三舰队等了一段时间后，就汇合了从后面赶过来的几十艘运输船，继续向北航行。
9月21日，刚刚经过海战的东北海军3支舰队，用电台联系上了海参崴，把对马岛海战的过程传给了海参崴，并且让海参崴把对马岛海战的结果传给林大鑫。
在海参崴的东北海军第六舰队指挥官黄洪，这一段时间正憋着一股火没有地方发泄，9月10日晚上日本人偷袭海参崴港口，给第六舰队带来了重大损失，主力军舰中5艘铁甲战列舰，2沉1重伤，5艘大型快速装甲巡洋舰，1沉1重伤，加上沉没了2艘防数级快速防护巡洋舰和1艘驱数级驱逐舰，另外2艘防数级快速防护巡洋舰重伤，阵亡人数超过千人，等于第六舰队的战斗力下降了一小半。
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