Крейсер шел впереди в полной готовности к бою, канонерская лодка шла в его кильватере. В это время японская эскадра, также готовая к бою, уже поджидала их на выходе с внутреннего рейда Чемульпо. «Варяг» относился к классу быстроходных кораблей, и в иной ситуации он мог бы смело пойти на прорыв вражеского строя и посостязаться в скорости хода с кораблями противника, но «Кореец», канонерская лодка, обладал гораздо меньшей скоростью хода.
В 11.45 Уриу, обнаружив русские корабли, приказал подать сигнал с предложением спустить Андреевские флаги и сдаться. Не получив ответа, флагманский крейсер «Асама» первым открыл артиллерийский огонь по шедшему головным «Варягу». Когда дистанция уменьшилась, русский крейсер открыл из своих орудий ответный огонь.
Напряженный морской бой при Чемульпо продолжался 45 минут. Русские матросы и офицеры проявили в нем высокие образцы мужества и героизма. Крейсер «Варяг», ведя огонь на два борта, нанес серьезные повреждения двум японским крейсерам — флагманскому и «Чиоде» и потопил миноносец неприятеля. Артиллеристы русского крейсера в морском бою выпустили по врагу 1105 снарядов, получив в ответ во много раз больше выстрелов.
В ходе боя «Варяг» получил большие повреждения от сосредоточенного огня шести японских крейсеров. На нем была выведена из строя почти вся артиллерия (из строя вышли все восемь 47-миллиметровых палубных орудий), рулевое устройство, с трудом был потушен возникший пожар, через подводную пробоину в трюм стала поступать вода, и корабль начал заметно крениться на левый борт. Был убит 31 человек (экипаж состоял из 557 человек), и более 190 моряков получили ранения. Более сотни из них остались на своих боевых постах до окончания боя. Из-за отсутствия броневых щитов больше всего пострадала орудийная прислуга. Командир корабля был ранен осколком в голову. Когда огонь с «Варяга» заметно ослабел, капитан Руднев приказал повернуть назад, на рейд Чемульпо.
В чемульпском морском бою экипаж крейсера «Варяг» не посрамил чести Российского флота. Командир корабля, ставшего легендарным, в рапорте о бое доносил:
«…С полным убеждением можно сказать, что „Варяг“ благодаря удивительной стойкости, беззаветной храбрости и безупречному выполнению воинского долга офицеров и команды с достоинством поддержал честь русского флага…»
Русские корабли оказались в безвыходном положении. Тогда принимается решение потопить сильно поврежденный крейсер в бухте, чтобы он не достался врагу. От его взрыва отказались, поскольку могли пострадать стоявшие поблизости иностранные корабли-стационары. На «Варяге» были открыты кингстоны, и в 18 часов 10 минут не побежденный в морском бою русский крейсер погрузился в воду. Канонерская лодка «Кореец» была взорвана экипажем, а пароход «Сунгари» — сожжен и потоплен.
Русские моряки перешли на крейсеры-стационары нейтральных стран и впоследствии возвратились на родину, в Одессу. В столице героические экипажи «Варяга» и «Корейца» ожидали торжественный прием и встреча с императором Николаем II. Прием состоялся в Зимнем дворце. Об их подвиге много писали газеты и журналы не только России. Песня «Наш гордый „Варяг“ сразу же стала одной из самых любимых на российских просторах.
Несмотря на внезапность нападения японского Соединенного флота на порт-артурскую эскадру и ее значительное ослабление, русская Тихоокеанская эскадра сохранила свою боеспособность и могла продолжать борьбу за господство на акватории Желтого моря. Однако командующий эскадрой вице-адмирал О.В. Старк сразу же отказался от активных действий на море.
Таким образом, для начавшей войну Японии сложилась самая благоприятная обстановка. Русский флот, представлявший серьезную угрозу, находился в бездействии. В корейских портах Цинампо и Чемульпо началась беспрепятственная со стороны противника высадка первых эшелонов 1-й японской армии генерала Тамесады Куроки. Транспортный поток из портов Японских островов шел непрерывно.
14 февраля японская кавалерия занимает корейскую столицу, город Сеул, близ которого впервые сталкивается с русскими казачьими разъездами. Казачья сотня, встретившись на дороге с кавалерийским эскадроном японцев, обратила его в бегство и преследовала до самых городских ворот Сеула.
9 февраля в войсках Дальнего Востока и Сибири началась мобилизация. Крепости Порт-Артур и Владивосток были объявлены на военном положении. Назначенный главнокомандующим всеми вооруженными силами России в войне против Японии адмирал Алексеев обратился к генералу от инфантерии Куропаткину (теперь бывший уже военный министр получил назначение командующим Маньчжурской армией) за советом, что ему предпринять. Куропаткин ответил: