В первые минуты Цусимского сражения артиллерийские наводчики «Иртыша» держали на прицеле один из японских крейсеров, но не стреляли. Капитан 2-го ранга Ергомышев не без оснований полагал, что несколько малокалиберных пушек его транспорта ничего не изменят в начавшемся противоборстве броненосцев. Зато несколько даже случайных попаданий в набитый углём и снарядами транспорт уничтожат его в несколько минут. Впрочем, японцам тоже было пока не до «Иртыша». Весь свой огонь они сосредоточили против наших броненосных сил.
Стараясь не оказаться на линии огня, «Иртыш» сначала пристроился к броненосному крейсеру «Дмитрий Донской», затем к «Авроре», но это прикрытие не было надёжным. Тогда Ергомышев решил выйти из района боя и самостоятельно пройти пролив.
«Иртышу» не повезло. Один из японских крейсеров дал вдогонку ему несколько залпов. Этого для тихоходного транспорта оказалось достаточно. «Иртыш» получил несколько пробоин. В трюм хлынула вода. Судно сильно накренилось. В машинном отделении лопнул паропровод. Пока ликвидировали аварию, стала прибывать вода; запустили водоотливные насосы.
Но Ергомышев не оставлял надежды на прорыв. Вскоре «Иртыш» повернул на ост. Ергомышев рассчитывал, что этот курс достаточно безопасен, что с наступлением сумерек судну удастся удалиться на несколько десятков миль от района боя.
К утру следующего дня «Иртыш» почти потерял ход, водоотливные средства уже не справлялись с откачкой воды из трюмов. Попытка выправить крен тоже не удалась. Шансов дойти до Владивостока не было никаких.
Решили продолжать идти во Владивосток, но держаться недалеко от японского берега, чтобы в случае чего спасти команду. Спустя некоторое время на транспорте снова лопнул паропровод. Пришлось вывести из рабочего режима один из котлов. Получили серьёзные ранения и ожоги вахтенные машинисты. Вода в кочегарке поднялась к топкам. Это был конец. Ергомышев приказал направить судно к японскому берегу.
Через пару часов транспорт «Иртыш» встал на якорь в полутора милях от рыбацкого селения Гоцу.
Судовой лекарь Иосиф Делялич-де-Лаваль, вернувшись из плена раньше своих соплавателей, в медицинском отчёте так описал гибель «Иртыша»:
«…15 мая утром стало очевидным, что транспорт «Иртыш» продержится на воде недолго. И поэтому решено было в девять часов утра повернуть к ближайшему берегу и высадить на него весь состав транспорта… Около часа пополудни, приблизившись к берегу Японии (западный берег острова Ниипона), бросили якорь и спустили почти целые шлюпки. Спущенный же паровой катер скоро затонул, наполнившись водой через пробоины. Пополудни началась погрузка раненых на баркас, которая продолжалась более двух часов. Вечером того же дня весь состав транспорта высадился на западный берег Ниипона. Транспорт «Иртыш», как говорили, утонул в ночь на 16 мая, приблизительное место гибели находится на 35° 2′ северной широты и 132° 8′ восточной долготы от Гринвича».
