Рано утром (в 4.30) в среду 28 июля русская эскадра начала выходить на внешний рейд Порт-Артура. Как только вышел последний броненосец (в 8.15) эскадра за тралящим караваном двинулась в море. В 10.30 в 10 милях от Ляотешаня тралящий караван был отпущен и эскадра, набрав скорость в 13 узлов, начала прорыв во Владивосток. В ее состав входили "Цесаревич", "Ретвизан", "Пересвет", "Победа", "Полтава", "Севастополь", "Аскольд", "Диана", "Паллада", "Новик" и 8 миноносцев. В 11.30 показались на горизонте основные силы японского флота - броненосцы "Микаса", "Асахи", "Фудзи", "Сикисима", а также 4 броненосных, 6 бронепалубных крейсеров и 18 истребителей.
В 12.15 с борта флагманского броненосца "Микаса" был произведен первый выстрел, русские корабли ответили и сражение началось. Того использовал преимущество в скорости хода и неоднократно пытался охватить голову русской эскадры, чтобы нанести наибольшие повреждения флагманскому кораблю русских и лишить эскадру управления, Витгефт маневрировал и сумел этого избежать. Японцы сосредоточили свой огонь на "Цесаревиче" и "Пересвете", русские - на "Микасе". В 13.00 перестрелка прекратилась и эскадры разошлись. Только отставший из-за неполадок в машине броненосец "Полтава" продолжал вести огонь. В ходе этого соприкосновения лишь некоторые корабли получили небольшие повреждения. В 13.15 японцы догнали русскую эскадру и открыли огонь. Перестрелка продолжалась до 14.20. Японцы вновь пытались охватить голову русской эскадры, которая опять умело маневрируя избегала охвата. Не получив перевеса в силах и не сумев повредить русский флагман, японцы решили отойти и эскадры разошлись на контркурсах. У русских наибольшее число попаданий получили броненосцы "Ретвизан", "Полтава" и "Севастополь". На крейсере "Аскольд" снарядом была сбита труба. Но все повреждения были незначительны, и ни один корабль не покинул строй эскадры. У японцев пострадали броненосцы "Микаса" и "Асахи", крейсера "Ниссин" и "Якумо".
Русская эскадра продолжила свое движение во Владивосток. В 16.00 Витгефт приказал команде ужинать. Вскоре на горизонте вновь показались основные силы японского флота. Того решил подойти к русским с правого борта, который принял на себя огонь японцев в предыдущей фазе боя. Японцы же подходили левым неповрежденным бортом. На этот раз Того привел "Микасу", "Асахи", "Фудзи", "Сикисиму", "Кассугу", "Нисин" и "Якумо". Дальнейший ход сражения свелся к артиллерийской дуэли между семью японскими кораблями и шестью русскими. Бой происходил на сходящихся курсах, его дистанция постоянно сокращалась. Огонь был открыт в 16.45 броненосцем "Полтава". Русские находились в худших условиях, им приходилось стрелять против заходящего солнца, но их огонь был очень метким и многие японские корабли получили значительные повреждения. Японцы свой огонь вновь сосредоточили на "Цесаревиче". В 17.20 305-мм снаряд попал в нижнюю часть фок-мачты "Цесаревича", между нижним и верхним мостиками. Были убиты стоявшие слева от мачты командующий эскадрой контр-адмирал Витгефт, флагманский штурман лейтенант Н. Н. Азарьев, младший флаг-офицер мичман О. Н. Эллис и три матроса, ранены начальник штаба контрадмирал Н. А. Матусевич, старший флаг-офицер лейтенант М. А. Кедров, младший флаг-офицер мичман В. В. Кувшинников и четыре матроса. В 18.05 еще один 305-мм снаряд попал в нижний мостик и засыпал осколками боевую рубку. Все находившиеся в ней, включая командира броненосца капитана I ранга Н. М. Иванова, были убиты, ранены или получили отравление пороховыми газами. Штурвал в этот момент был положен на левый борт, и оказавшийся на несколько минут без управления "Цесаревич" вышел из строя, описал две циркуляции и прорезал строй русской эскадры. На эскадре возникло замешательство. Русские корабли сбились в кучу их накрыло огнем японцев, количество попаданий резко возросло. В этот сложный момент решительно повел себя командир броненосца "Ретвизан" капитан I ранга Э. Н. Щенснович. Его броненосец увеличил ход и повернул в сторону японской эскадры, изображая таранный удар и отвлекая на себя весь огонь японцев. Расстояние быстро сокращалось, число попаданий в корабль начало возрастать, Щенснович был ранен осколком в живот, и "Ретвизан" вернулся в строй эскадры. Передышка позволила русской эскадре перестроиться, ее возглавил контр-адмирал Ухтомский на броненосце "Пересвет". Он решил прекратить прорыв, эскадра развернулась на курс возвращения в Порт-Артур, до которого было всего 90 миль. Того не стал преследовать русские корабли, а отдал приказ' истребителям с наступлением темноты их атаковать.
В этом бою из русских кораблей наиболее пострадали броненосцы "Ретвизан"(18 попаданий, убито 6, ранено 43 человека), "Пересвет"(18 попаданий, убито 13, ранено 89), "Цесаревич" (15 попаданий, убито 12, ранено 35), "Полтава" (14 попаданий, убито 12, ранено 43), "Севастополь" (12 попаданий, убит 1, ранено 61) и крейсер "Аскольд" (10 попаданий, убито 11, ранено 48). Повреждения остальных русских кораблей были незначительны. У японцев наиболее пострадал броненосец "Микаса" (21 попадание, убито 32, ранено 88) и крейсер "Ниссин" (1 попадание, убито 11, ранено 2). Остальные корабли японцев отделались незначительными повреждениями.
Атаки японских истребителей были успешно отражены, но с наступлением темноты строй русской эскадры разрушился. В итоге в Порт-Артур вернулись лишь "Ретвизан", "Пересвет", "Победа", "Полтава", "Севастополь", "Паллада" и 4 миноносца. Остальные корабли эскадры не стали возвращаться в крепость, а решили идти в иностранные порты, где они интернировались (не принимали участие в боевых действиях до конца войны, но оставались в составе русского флота). Броненосец "Цесаревич" и миноносцы "Бесстрашный", "Беспощадный" и "Бесшумный" пришли в немецкую базу Киао-Чао, крейсер "Аскольд" и миноносец "Грозовой" ушли в Шанхай, "Диана" - в Сайгон. Миноносец "Бурный" так же направился в Киао-Чао, но ночью выскочил на камни у мыса Шантунг и был взорван экипажем. Еще одного миноносца русская эскадра лишилась накануне. Он прибыл в Чифу днем 29 июля с целью передать секретную депешу русскому консулу. Потом в соответствии с международными правилами кораблю было приказано интернироваться. Миноносец был разоружен, его экипаж готовился съехать на берег. Тем временем в порт вошли японские истребители "Касуми" и "Асасиво". В 3.00 ночи 30 июля к борту "Решительного" подошла шлюпка, с которой на борт поднялись вооруженные японские моряки под командованием мичмана Терасимы. Он предъявил русским ультиматум: либо "Решительный" выходит в море и принимает бой, либо сдается японцам. Командир "Решительного" лейтенант М. С. Рощаковский пытался затянуть переговоры, тогда японцы решили захватить корабль силой. Рощаковский приказал матросу-минеру Валовичу взорвать заряд в носовом погребе. На корабле завязалась драка между русскими и японцами, прогремел взрыв. Был убит один японский матрос, 11 ранено, включая Насибу. У русских погиб матрос Валович, ранено пять человек, включая Рощаковского. Японцы потушили пожар на "Решительном" и истребитель "Асасиво" отбуксировал его в порт Дальний. После ремонта его включили в состав японского флота.
Лишь один корабль попытался прорваться во Владивосток - это был крейсер "Новик".
