После царского смотра в Ревеле 26 сентября корабли З.П.Рожественского перешли в Либаву, откуда 2 октября начался беспримерный 220-суточный поход. Через три недели в Танжере (на африканском берегу Гибралтарского пролива) эскадра разделилась: вместе с новыми броненосцами и большими крейсерами «Адмирал Нахимов» под флагом начальника отряда крейсеров контр-адмирала О.А.Энквиста направился вокруг Африки, встретившись в бухте Носи-Бэ на Мадагаскаре с кораблями контр-адмирала Д.Г.Фелькерзама, которые пошли Суэцким каналом. Там О.А.Энквист перешел на догнавший эскадру новейший бронепалубный крейсер «Олег», а «Нахимов» вернулся во 2-й броненосный отряд контр-адмирала Д.Г.Фелькерзама — пожалуй, наиболее нелепое соединение эскадры, включавшее еще эскадренный броненосец (фактически большой броненосный крейсер) «Ослябя», устаревшие «Наварин» и «Сисой». Кроме совершенно различных ходовых и маневренных элементов, не позволявших отряду действовать на мало-мальски приличной скорости (да и максимальная не превышала 14 узлов — предел для ветеранов с изношенными машинами), эти четыре корабля имели на вооружении орудия крупного и среднего калибра восьми (!) систем, что полностью исключало какое-либо управление стрельбой на ожидавшихся дистанциях боя. Разнотипность кораблей эскадры еще больше усилилась, когда у берегов Индокитая 26 апреля 1905 года она соединилась с отрядом контр-адмирала Н.И.Небогатова, состоящего из совсем старых броненосца «Император Николай I» и крейсера «Владимир Мономах», а также трех небольших броненосцев береговой обороны. Это «подкрепление» вышло из Либавы 3 февраля 1905 года, когда порт-артурская эскадра почти полностью погибла, так и не ослабив сколь-нибудь существенно японский флот.

«Адмирал Нахимов» перед последним походом, Балтика, 1904 г.
Последний парад. Николай II обходит строй офицеров крейсера. Ревель, 26 сентября 1904 г.
14 мая эскадра З.П.Рожественского после долгого 17 000-мильного перехода встретила превосходящие силы японского флота под командованием адмирала Х.Того в Корейском проливе у островов Цусима. Замыкавший 2-й броненосный отряд «Адмирал Нахимов» шел восьмым в длинной кильватерной колонне главных сил. Как и все русские корабли, крейсер вступал в бой перегруженным: на борту имелся полный запас угля, провизии, смазочных материалов и около 1000 т воды в междудонном пространстве. Когда флагманский «Князь Суворов» открыл огонь по разворачивающимся для охвата головы русской колонны японским кораблям, «Нахимов» находился в 62 кабельтовых от ближайшего противника, и его снаряды еще не могли достигать до цели. Но как только позволила дистанция, орудия крейсера включились в общую канонаду, после каждого залпа окутывая его густыми клубами дыма. В начале боя «Нахимов» не привлекал внимания японских кораблей, которые сосредоточили огонь на головных броненосцах. Всего через полчаса после открытия огня вышел из строя «Ослябя», вскоре опрокинувшийся через левый борт и ушедший на дно с большим дифферентом на нос. Засыпая градом снарядов один русский броненосец за другим, японцы превращали их в груды пылающих обломков; к концу дня погибли «Александр ИЬ и «Бородино». Буквально на несколько минут пережил их и полностью разбитый флагман З.П.Рожественского «Князь Суворов», торпедированный японскими миноносцами.
«Адмирал Нахимов» в дневном бою из-за постоянного выхода из строя головных кораблей иногда оказывался даже четвертым в русской колонне, и на его долю пришлось почти 30 попаданий снарядов калибром от 76 до 305 мм — в основном во время жаркой перестрелки с броненосными крейсерами вице-адмирала Х.Камимуры около 18.30. На нем разрушило надстройки, выбило из строя несколько орудий, убило 25 и ранило 51 человека. Но фатальных повреждений и подводных пробоин удалось избежать, и старый корабль оставался боеспособным, уверенно держа место в строю за броненосцем «Наварин». О результатах его ответного огня по противнику известно мало. Капитан Пэкингхем, представитель английского Адмиралтейства, находившийся во время Цусимского сражения на японском броненосце «Асахи», после боя, скрупулезно собрав сведения о повреждениях японских кораблей, насчитал только три пробоины от 203-мм снарядов, попавших в броненосный крейсер «Ивате», которые можно отнести на счет «Нахимова» (других кораблей с орудиями такого калибра на русской эскадре не было). Но они не нанесли кораблю младшего флагмана контр-адмирала Х.Симамуры серьезных повреждений, и уже 15 мая «Ивате» отличился при потоплении броненосца береговой обороны «Адмирал Ушаков».