Важная деталь: оставляя Порт-Артур, Витгефт телеграфировал Алексееву: «Согласно предписанию, выхожу с эскадрою прорываться во Владивосток. Лично и собрание флагманов и командиров, принимая во внимание все местные условия, были против выхода, не ожидая успеха прорыва и ускоряя сдачу Артура, о чем доносил неоднократно». Командующий и большинство его командиров еще задолго до выхода не верили в благополучный исход и с этой мыслью шли в бой.
После отпуска тралящих судов русская эскадра шла в кильватерной колонне: головным — броненосец «Цесаревич» под флагом командующего, за ним «Ретвизан», «Победа», «Пересвет» (флаг младшего флагмана, контр-адмирала Ухтомского), «Севастополь» и «Полтава», крейсера «Аскольд», «Паллада» и «Диана». Крейсер «Новик» шел впереди эскадры, миноносцы были на траверзе флагманского броненосца.
Главные силы японского флота под флагом вице-адмирала Того появились в поле видимости, в 120 кабельтовых (22 км), около 11 ч. 30 мин.
Они шли с северо-востока на пересечение курса русской эскадры. Головным шел броненосец «Микаса», за ним броненосцы «Асахи», «Фудзи», «Сикисима» и броненосные крейсера «Касуга» и «Ниссин».
В 12 часов 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 у нее за кормой. 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 дистанция 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-го ранга Иванов. Он не стал подавать сигнал о гибели командующего, чтобы в разгар боя не вызвать панику на эскадре.