Перед выходом В.К. Витгефт отказался от обсуждения с командирами тактического замысла неизбежного боя, ограничившись указаниями, что он будет руководствоваться приёмами, выработанными при покойном С.О. Макарове. Однако командующий отверг важнейшее наследие С.О. Макарова - однофлажные сигналы, вместо которых вернулся к старой трёхфлажной системе. Было условлено, что эскадра должна идти во Владивосток во что бы то ни стало, не поджидая отставшие или подбитые корабли. В ночное время решили идти без огней, пользуясь для связи фонарями Ратьера с ограниченными секторами.
В 8-15 с якорей снялись и вышли в море броненосцы «Цесаревич» (флаг командующего эскадрой, командир-капитан 1-го ранга Н.М. Иванов), «Ретвизан» (капитан 1-го ранга Э.Н. Щенснович), «Победа» (капитан 1 -го ранга В.М. Зацаренный), «Пересвет» (флаг адмирала П.П. Ухтомского, командир-капитан 1-го ранга В. А. Бойсман), «Севастополь» (капитан 1 -го ранга Н.О. Эссен), «Полтава» (капитан 1-го ранга И.П. Успенский), крейсера «Аскольд» (флаг контр-адмирала Н.К. Рейценштейна, командир-капитан 1-го ранга К.А. Грамматчиков), «Новик» (капитан 2-го ранга М.Ф. Шульц), «Паллада» (капитан 1-го ранга B.C. Сарнавский) и «Диана» (капитан 2-го ранга светлейший князь А.А. Ливен). Их сопровождали эскадренные миноносцы: начальник 1 -го отряда капитан 2-го ранга Е.П. Елисеев вёл первое отделение - «Выносливый» (брейд-вымпел), «Властный», «Грозовой» и «Бойкий». Вторым отделением командовал командир «Бесшумного» лейтенант А.С. Максимов, за ним следовали «Бесстрашный», «Беспощадный» и «Бурный». Кроме боевых кораблей В.К. Витгефт взял в поход плавучий госпиталь Красного Креста «Монголия», который должен был держаться вне выстрелов.
В Порт-Артуре оставались повреждённые «Баян», «Амур» и «Боевой», неисправный «Бдительный», 4 канонерские лодки и 9 эскадренных миноносцев 2-го отряда.
Японский флот насчитывал 4 броненосца,4 броненосных крейсера, 3 больших, 5 малых бронепалубных крейсеров, 1 старый броненосец, 3 старых крейсера типа «Мацусима», 18 эскадренных миноносцев и 31 миноносец
Исходя из необходимости сбережения сил. X. Того не стремился к решительному сражению, но и не мог допустить спасения русской эскадры из Порт-Артура. Тактический замысел японского адмирала предусматривал «охват головы» боевого порядка противника и сосредоточение огня на флагманском корабле без сближения на короткую дистанцию. Преградив путь русской эскадре и повредив ее флагманский корабль, X. Того рассчитывал заставить В.К. Витгефта отказаться от прорыва, а ночью послать на ослабленного неприятеля многочисленные миноносцы.
Около 12 час. «Цесаревич» увеличил ход до 13 уз, направляясь в промежуток между японскими 1-м и 3-м боевыми отрядами. X. Того со своим отрядом пересёк курс русской эскадры и с целью завлечь противника подальше от Порт-Артура повернул на 90° влево способом «все вдруг». Увеличив дистанцию и заметив, что русские склоняются к востоку, японский адмирал снова повернул «все вдруг» на 90° влево и, следуя вице-адмиралу X. Катаока на «Ниссине», попытался «поставить перекладину у буквы Т» - выполнить охват головы. С 12 час. 20 мин. с дистанции около 70 кб японские корабли вслед за «Ниссином» открыли огонь по «Цесаревичу» из крупных орудий. Им ответил «Пересвет» из носовой 10" башни, а по его примеру начали стрелять и другие русские броненосцы. Одновременно В.К. Витгефт для выхода из «охвата» и улучшений условий стрельбы подвернул на 4 румба влево, и противники оказались почти на параллельных курсах.
Около 13 час. 20 мин. дистанция между главными силами настолько увеличилась, что только концевые корабли продолжали редкий огонь. Опоздав с последовательным поворотом вправо, X. Того оказался позади русской эскадры. В.К. Витгефт, увеличив ход до 14 уз, лёг на курс SO 62° - к Корейскому проливу.
Русским кораблям удалось добиться трёх попаданий тяжёлыми снарядами в «Микаса», двух - в «Ниссин» и одного - в «Асахи». 12" снаряд, разорвавшийся у грот-мачты японского флагманского броненосца, произвёл большие опустошения среди прислуги 76мм орудий. Из русских кораблей более 10 попаданий снарядами разных калибров получил «Ретвизан», 7 - «Цесаревич», по одному «Пересвет» и «Севастополь». Однако эти снаряды не нанесли серьёзных повреждений или потерь в людях. Пострадал только броненосец «Полтава», получивший 7 японских снарядов.
Около 13 час. 50 мин. на дистанции свыше 55 кб обе стороны возобновили огонь из орудий главного калибра. Адмирал С.Дева с четырьмя крейсерами, сблизившись с отставшей «Полтавой» на 40 кб, попытался поставить русских в два огня. Однако после попадания в «Якумо» он отвернул и начал отставать. В 14-30 основные силы японцев также вышли из боя. Примерно на 2 часа русские и японские корабли потерляи друг друга из вида.
Около 16 час. 45 мин., в 45 милях к северу от мыса Шантунг, «Микаса» вышел на траверз несколько отставшей от эскадры «Полтавы». Японские орудия молчали, упуская возможность вывести из строя этот броненосец. В это время командир правой носовой 6" башни «Полтавы» мичман А. А. Пчельников приказал дать залп по «Микаса» и тем самым положил начало продолжению боя. По наблюдениям русских оба снаряда поразили флагманский броненосец X. Того, а ответный японский залп из десятков орудий лёг с недолётом 2 кб от «Полтавы». Другие русские корабли немедленно открыли огонь, сосредоточив его на «Микаса», который медленно выдвигался вперед, обгоняя главные силы эскадры.
Маневр В.К. Витгефта ограничился увеличением скорости до 15 уз и подворотом на 2 румба влево, чтобы не дать противнику выйти в голову колонны и вести бой на выгодных кормовых курсовых углах. Вскоре старшему инженеру-механику «Полтавы» А.И. Меньшову удалось исправить повреждение машины и броненосец форсировал ход, догоняя «Севастополь».
В начале этого боя «Микаса» и «Фудзи» сосредоточили огонь на «Цесаревиче», а «Асахи», «Сикисима», «Ниссин» и «Якумо» - на «Полтаве». Крейсер «Касуга» стрелял по «Севастополю». Через некоторое время под обстрелом нескольких японских кораблей оказался и второй флагманский броненосец «Пересвет».
Сосредоточение огня шести броненосцев на «Микаса» оказалось невыгодным для русских: их артиллеристы не могли различить всплески падений «своих» снарядов и корректировать стрельбу. Русские броненосцы вели сравнительно медленный огонь из крупных орудий, исправляя прицел по дальномерам. И всё же «Микаса» получил до 20 попаданий, причинивших серьёзные повреждения. Через полчаса после начала боя 12" снаряд разбил правое орудие в кормовой башне «Микаса», вывел из строя саму башню и часть прислуги, ранив её командира - капитан-лейтенанта принца Хирояси. Другой такой же снаряд разорвался у носового мостика, на котором находился адмирал X. Того, и нанёс большие потери в личном составе. В числе раненых был и командир «Микаса» капитан 1-го ранга Идзити, а сам главнокомандующий, рядом с которым убило ординарца, чудом остался невредимым. Японский флагманский корабль получил и подводную пробоину, вызвавшую затопление бортовых отделений. Впоследствии благодаря тихой погоде течь удалось остановить с помощью пластырей. «Микаса» понёс наибольшие потери в людях из кораблей обеих сторон, на нём было убито и ранено 125 человек.
Другие японские корабли лишь эпизодически попадали под редкий огонь и получили незначительные повреждения, а броненосец «Фудзи» и вовсе не имел попаданий. Это позволило большинству японских броненосцев и крейсеров, оставаясь необстрелянными, без помех поддерживать эффективный огонь. На «Асахи» и «Сикисима» по одному орудию ГК было оторвано в результате преждевременных взрывов снарядов. К концу боя на японских кораблях из 17 тяжёлых орудий действовали 12.
Стрельба японцев была более успешной. Особенно много попаданий получили «Полтава» и «Пересвет». На «Полтаве» вышла из строя носовая 12" башня, в кормовые отделения через большие пробоины в небронированном борту поступала вода. В носовой 10" башне «Пересвета» был убит её командир мичман А.В. Салтанов и повреждён механизм горизонтального наведения. Одна подводная и несколько близких к ватерлинии пробоин вызвали поступление 450 т воды. Командир броненосца капитан 1 -го ранга В.А. Бойсман был ранен, но оставался в строю. Фор-стеньга с контр-адмиральским флагом была сбита снарядом.
На «Ретвизане» тяжёлый снаряд поразил кромку амбразуры носовой 12" башни, подбил левое орудие и заклинил саму башню. На «Победе» два японских снаряда, очевидно с неисправными взрывателями, пробили 102мм и 203мм броню. Через последнюю пробоину, оказавшуюся ниже ватерлинии, была затоплена угольная яма. Одно из орудий кормовой 10" башни после 21 -го выстрела прекратило огонь из-за поломки компрессора. Из повреждений «Севастополя» наиболее серьёзным была большая пробоина в небронированном борту у кают-компании - всего в 60 см выше ватерлинии.