В 12 ч с дистанции в 80 кабельтовых (14,6 км) японцы открыли огонь. Когда дистанция уменьшилась до 65 кабельтовых (11,9 км), русские корабли открыли ответный огонь. Адмирал Витгефт, вместо того чтобы занять выгодную позицию Для атаки, решительно атаковать противника и тем самым обеспечить успех прорыва, стал уклоняться от боя. Именно с этой целью маневрировали и стреляли корабли русской эскадры.
Не лучше маневрировал и адмирал Того. Пытаясь охватить голову русской эскадры, он так плохо рассчитал маневр, что вместо головы оказался за кормой у нее. Японские же крейсера хоть и окружили русскую эскадру, но, не имея определенной задачи, даже и не пытались сковать ее боем и тем самым обеспечить удар своих главных сил. В 14 ч 30 мин первая фаза боя закончилась. Ни одной из сторон не удалось добиться существенного успеха в основном потому, что бой велся на больших дистанциях (более 9 км). На таких дистанциях стрельба как русских, так и японских пушек не отличалась большой точностью.
Оторвавшись от японцев, Витгефт продолжал следовать тем же курсом и строем. Главные силы японцев (1-й боевой отряд) неуклонно догоняли, находясь сзади и справа. К отряду в это время присоединился броненосный крейсер «Якумо» из 3-го боевого отряда, остальные корабли которого шли за кормой русской эскадры. 5-й боевой отряд, усиленный броненосцем «Чин-Иен» и крейсером «Идзуми», шел севернее, 6-й отряд отставал.
Вторая фаза боя началась в 16 ч 45 мин с расстояния 45 кабельтовых (8235 м). Главные силы японцев находились на главном траверзе: головным шел броненосец «Микаса», затем «Асахи», «Фудзи», «Сикисима», «Касуга», «Ниссин» и «Якумо». В строю русской эскадры изменений не было. Первой открыла огонь немного отставшая от эскадры «Полтава». Остальные корабли вступали в бой последовательно, стреляя по японскому флагману. «Микаса», получив в начале боя несколько прямых попаданий, отвернул, но, оправившись от удара, вновь лег на старый курс. Японские броненосцы и крейсера вели огонь в основном по «Цесаревичу», стараясь вывести его из строя и нарушить управление эскадрой. «Цесаревич» получил несколько попаданий. Чтобы выйти из-под огня противника, улучшить условия стрельбы для своих кораблей и не дать возможности японцам охватить голову эскадры, адмирал Витгефт приказал повернуть на два румба влево и увеличить ход до 15 узлов. «Севастополь» и «Полтава» сразу же начали отставать, и ход снова пришлось уменьшить.
К вечеру, в начале шестого, крупнокалиберный снаряд противника разорвался в середине фок-мачты «Цесаревича».
В это время на мостике находились адмирал Витгефт и несколько офицеров. Витгефта взрывом разорвало на куски, погибли также флагманский штурман лейтенант Азарьев, флаг-офицер мичман Эллис и несколько матросов. Многие офицеры и начальник штаба контр-адмирал Матусевич получили тяжелые ранения.
После гибели адмирала Витгефта командование эскадрой взял на себя капитан 1 ранга Иванов. Он не стал подавать сигнала о гибели командующего, чтобы в разгар боя не вызвать паники на эскадре.
В 17 ч 45 мин второй тяжелый снаряд разорвался вблизи рубки «Цесаревича». Погибли несколько офицеров и матросов, были повреждены рулевой привод и все приборы управления кораблем и артиллерийским огнем, Броненосец, потеряв управление, начал описывать циркуляцию, но сигнала о том, что он вышел из строя, подать было некому. Командиры «Ретвизана» и «Полтавы», следовавшие за «Цесаревичем», решили, что Витгефт маневрирует, чтобы лечь на новый курс, и пошли вслед за ним. Но вскоре стало ясно, что броненосец не управляется, строй русской эскадры нарушился, а японцы усилили огонь.
Тут командир «Ретвизана» капитан 1 ранга Щенснович повернул на неприятеля, чтобы таранить один из его кораблей. Японцы сосредоточили на русском броненосце сильный огонь, но «Ретвизан», стреляя, шел полным ходом. Когда до противника оставалось не более 12 кабельтовых, на «Микаса» поднялся черный столб дыма и окутал всю его переднюю часть. Но в этот момент Щенснович был ранен, и «Ретвизан» отвернул. Хоть и не удалось до конца осуществить замысел, но все же маневр «Ретвизана» дал возможность командирам других русских кораблей выровнять строй, однако у них не хватило решимости пойти за «Ретвизаном» и поддержать его атаку.
Пока «Ретвизан» шел на таран японского броненосца, на мостике «Цесаревича» пришел в себя раненый артиллерийский офицер лейтенант Ненюков. В рубке, кроме него, все были мертвы. Ненюков встал к штурвалу, но корабль его не слушался, тогда лейтенант передал управление через центральный пост на нижний штурвал, но также безрезультатно. Тут в Рубку поднялся старший лейтенант Пилкин, ему Ненюков и сдал командование. Машинный телеграф был выведен из строя, и Пилкин с большим трудом перевел управление в центральный пост. Вскоре командование принял старший офицер корабля капитан 2 ранга Шумов. Он приказал поднять сигнал по эскадре, что адмирал передает командование флагману контр-адмиралу Ухтомскому, находившемуся на «Пересвете».
Ухтомский же передал сигнал эскадре «следовать за мной», на том и ограничился. Но приказание это никто из командиров кораблей не выполнил, а впоследствии все утверждали, что не заметили его. В кильватер «Пересвету» вступила одна «Победа». «Ретвизан» повернул к Порт-Артуру и вскоре скрылся из виду. Позднее за «Пересветом» последовали броненосцы «Полтава», «Севастополь» и «Цесаревич».
Главные силы японцев прекратили огонь и ушли на север, с ними ушел и 6-й отряд. 3-й отряд, находившийся с юга, вел огонь по концевым русским кораблям. 5-й отряд с присоединившимся к нему броненосным крейсером «Асама» также пытался помешать отходу русских.
После ухода главных сил японцев на север русские крейсера оказались в очень невыгодном положении. Японские броненосцы открыли по ним огонь. Командовавший отрядом контр-адмирал Рейценштейн, находившийся на «Аскольде», решил, что эскадра окружена японцами, поднял сигнал «крейсерам следовать за мной» и пошел на прорыв к югу, пересекая курс своих броненосцев, идущих к Порт-Артуру. За «Аскольдом» последовал «Новик». «Диана» и «Паллада» отстали. Несмотря на сильный артиллерийский огонь японцев, «Аскольду» и «Новику» удалось прорвать кольцо и уйти, а «Диана» и «Паллада» присоединились к своим броненосцам. На этом сражение прекратилось. Японские корабли около 8 ч вечера скрылись в южном направлении.
В девятом часу вечера за «Пересветом» шли «Победа» и «Полтава». Все навигационные приборы на кораблях были выведены из строя, поэтому ориентировались по Полярной звезде. «Севастополь», «Цесаревич», «Паллада» и «Диана» отстали.
Ночью русские корабли атаковали японские миноносцы, но все выпущенные торпеды прошли мимо цели. Русская эскадра разделилась. Броненосец «Цесаревич», крейсер «Диана» и четыре миноносца в разное время повернули в море, решив идти во Владивосток. В Порт-Артур вернулись броненосцы «Пересвет», «Ретвизан», «Победа», «Севастополь» и «Полтава», крейсер «Паллада», три миноносца и госпитальное судно «Монголия».
Броненосец «Цесаревич» пришел в германскую военно-морскую базу Циндао. Немцы, как уже говорилось, держали весьма благоприятный для России нейтралитет. По законам морской войны «Цесаревич» мог стоять в Циндао 24 часа, а затем должен был уйти, но немцы вряд ли стали бы заставлять выполнять русских это право. Крейсер «Новик», к примеру, тоже пришел в Циндао, погрузил там 250 т германского угля и пошел на прорыв во Владивосток. Но офицеры «Цесаревича» предпочли интернироваться в Циндао.
