Вернувшись на крейсер, Руднев собрал офицеров и объявил им о начале военных действий. На общем офицерском собрании решили прорываться из Чемульпо, а в случае неудачи взорвать крейсер. В 9 часов утра начали разводить пары и готовиться к бою.
27 января прибывший с «Варяга» Беляев в 9 часов 45 минут объявил своим офицерам о начале войны с Японией и отдал приказание на подготовку к бою. С канонерской лодки выбросили за борт все легковоспламеняющиеся предметы, решетками из колосников и медными сетями прикрыли машинное отделение и сожгли все секретные документы.
Около 10 часов 45 минут команды обедали, после чего командиры обратились к личному составу. Руднев произнес такие слова: «Сегодня получил письмо японского адмирала о начале военных действий с предложением оставить рейд до полдня. Безусловно, мы идем на прорыв и вступим в бой с эскадрой, как бы она сильна ни была. Никаких вопросов о сдаче не может быть: мы не сдадим ни крейсера, ни самих себя и будем сражаться до последней возможности и до последней капли крови. Исполняйте каждый обязанности точно, спокойно, не торопясь, особенно комендоры, помня, что каждый снаряд должен нанести вред неприятелю. В случае пожара тушить его без огласки, давая мне знать. Помолимся Богу перед походом и с твердой верой в милосердие Божие пойдем смело в бой за Веру, Царя и Отечество. Ура!». После этой речи на крейсере прозвучал Гимн.
Около 11 часов 30 минут «Варяг» и «Кореец» снялись с якоря и под звуки русского Гимна, звучавшего с итальянского крейсера «Эльба», покидали рейд. На иностранных кораблях команды были выстроены во фронт и провожали русские суда восторженным «Ура!». Погода была теплая, пасмурная, ветра почти не было. «Кореец» шел в кильватер «Варягу», держась на расстоянии полутора кабельтовых. На внешнем рейде их поджидала японская эскадра в составе крейсеров «Нанива», «Такачихо», «Нитака», «Акаси», «Чиода» и «Асама». Восемь миноносцев держались за эскадрой. Японский флагман, видя полную безнадежность, в которой оказались русские корабли, поднял сигнал о сдаче без боя, но Руднев на этот сигнал не ответил.
В 11 часов 45 минут раздался первый выстрел. Стреляли с концевого крейсера «Асама». В ответ открыли огонь с «Варяга». После пристрелки по русским кораблям открыла огонь вся эскадра. Один из первых японских снарядов разрушил правое крыло мостика, вызвал пожар в штурманской рубке, перебил фок-ванты и вывел из строя почти весь личный состав даль-номерного поста. Погиб мичман граф Алексей Нирод и два дальномерщика. После этого выстрела снаряды стали попадать в «Варяг» все чаще и чаще. Последующими выстрелами было выведено из строя 6-дюймовое орудие правого борта, причем часть его прислуги была убита, часть ранена. Тяжелое ранение получил плутонговый командир мичман Губонин, который продолжал командовать плутонгом, пока не упал от потери крови.
Вскоре на шканцах возник сильный пожар: горели патроны, палуба и вельбот. Следующими выстрелами были подбиты четыре 6-дюймовых, пять 75-мм и четыре 47-мм орудия, снесен боевой грот-марс, уничтожен второй дальномерный пост.
При проходе траверза острова Волмидо на «Варяге» были перебиты рулевые приводы и контужен командир. Управление крейсером перенесли в румпельное отделение. В 12 часов 15 минут «Варяг» начал выходить из боя, а через полчаса бросил якорь рядом с «Талботом».
В рапорте наместнику императора на Дальнем Востоке адмиралу Алексееву командир «Варяга» капитан 1 ранга Руднев докладывал:
«В 11 часов 45 минут с крейсера „Асама“ был сделан первый выстрел из 8-дюймового орудия, вслед за которым вся эскадра открыла огонь.
Впоследствии японцы уверяли, что адмирал сделал сигналом предложение о сдаче, на которое командир русского судна ответил пренебрежением, не подняв никакого сигнала. Действительно, мною был виден сигнал, но я не нашел нужным отвечать на него, раз уже решив идти в бой.