Главные силы японского флота под флагом вице-адмирала Того появились на видимости (120кабельтовых) около 11час.30мин. Они шли с северо-востока на пересечение курса русской эскадры. Головным шел “Миказа”, за ним броненосцы “Асахи”, “Фуджи”, “Шикишима” и броненосные крейсера “Кассуга” и “Ниссин”.
Появление неприятельского флота на пути русских было закономерно, расчет адмирала Алексеева прорваться во Владивосток без боя был сделан без учета фактической обстановки на море. Сражение было неизбежно.
В предстоящем бою Витгефт мог рассчитывать на успех, имея явное преимущество в броненосцах, от огня которых главным образом и зависел успех боя.
Русские имели превосходство в артиллерии главного калибра, японцы в свою очередь имели преимущество в скорости хода кораблей своих главных сил и могли выбирать дистанцию огня и наиболее выгодный для них строй.
В 12час.20мин. с расстояния 80каб. японцы открыли огонь, в ответ с расстояния 65-70каб. разрядили свои крупнокалиберные орудия русские броненосцы.
Обстановка на море к моменту открытия огня была следующая. Русская эскадра, как уже говорилось, в кильватерной колонне шла курсом 125°; крейсер “Новик” по приказанию Витгефта занял место концевого в колонне. Японские главные силы (1-й боевой отряд) перерезал курс эскадры на расстоянии около 75каб. 3-й боевой отряд (четыре крейсера) шел параллельным курсом с русскими кораблями южнее на расстоянии до 70 каб.; к северу на расстоянии до 80-85каб. тоже параллельным курсом шел 5-й боевой отряд (три крейсера) и, наконец, три крейсера 6-го боевого отряда находились северо-восточнее на расстоянии до 100каб. Таким образом, японцы окружали русскую эскадру, оставляя открытым только путь на Порт-Артур. Адмирал Того явно желал, чтобы Витгефт, как и 10июня, не принял боя, а повернул : обратно в Порт-Артур под огонь осадной артиллерии генерала Ноги. Но русский флагман на этот раз продолжал идти вперед, отвечая огнем на огонь.
В завязавшейся перестрелке Витгефт, уклоняясь от охвата 1-м японским боевым отрядом головы своей кильватерной колонны и рассчитывая проскочить у него под кормой, изменил курс влево. В результате поворота противники оказались на контркурсах, при этом условия стрельбы для русских кораблей явно ухудшились, японские главные силы усматривались под острым курсовым углом и против солнца. Командующий искал возможности прорваться во Владивосток и этому подчинял свои действия.
Через некоторое время с броненосца “Цесаревич” на пути была замечены плавающие мины, очевидно набросанные японскими миноносцами. Эскадра, обходя мины, несколько раз меняла курсы. При поворотах корабли закрывали, друг друга, и этим пользовался противник, усиливая огонь. Во втором часу дня, проходя на контркурсе линию русской эскадры, японцы перенесли огонь на наши крейсера, которые по приказу с “Цесаревича” перешли на левую сторону своих броненосцев; туда же ушли и миноносцы.
Адмирал Того после расхождения на контркурсах начал поворачивать, но с выполнением маневра явно запоздал. Эскадра в это время вырвалась вперед, оставив главные силы противника позади. В 13час.25мин. перестрелка прекратилась. Витгефт лег на курс 118° по направлению к Корейскому проливу; ход был увеличен до 14узлов. В это время 3-й боевой отряд противника, нагоняя, вел бой с концевым кораблем эскадры “Полтавой”, который из-за повреждений в машине отставал; при помощи других броненосцев противник был отогнан. Кроме этой неудачной попытки, ни один из отрядов японского флота не имел намерения подходить к русской эскадре на дистанцию менее чем 70кабельтовых.
К 13час.45мин. адмирал Того вновь сблизился с русской эскадрой, и бой возобновился, но не надолго; Того снова допустил грубые просчеты в маневрировании и около 14час.30мин. отстал. На этом закончилась первая фаза боя.
Все корабли противника остались в строю, от огня пострадали русские “.Цесаревич” и “Полтава”; у японцев имели существенные повреждения броненосец “Миказа” и броненосный крейсер “Ниссин”. Таким образом в первой фазе боя Того пытался охватить голову русской эскадры. Виттефт контрманеврированием уклонился от боя. Ему удалось сбить расчеты противника и оставить его далеко позади. Русский командующий со всеми своими кораблями прорвался в море. Он мог окончательно оторваться от неприятеля, если бы его эскадра имела хотя бы равный ход по сравнению с противником, но ход был значительно меньше. Того, исправляя свои ошибки, снова нагонял русскую эскадру. После первой фазы боя расположение кораблей в море было следующее: русские в двух кильватерных колоннах уходили по направлению. к Корейскому проливу; главные силы Того — его 1-й боевой отряд догонял русскую эскадру, находясь сзади и справа от нее; к 1-му отряду в это время для его усиления присоединился броненосный крейсер “Якумо” из 13-го боевого отряда, корабли которого шли за кормой русской эскадры; 15-й боевой отряд, усиленный броненосцем “Чин-иен” и крейсером “Идзуми”, шел севернее; 6-й отряд отставал.
Около 15 час. Витгефт запросил у командиров своих кораблей сведения о повреждениях. Ответы были благоприятные; корабли в вооружении существенных потерь и повреждений не имели. Так как адмирал Того имел явное намерение снова вступить в бой, Витгефт со своим штабом провел совещание: как выгоднее вести сражение. Мнение большинства офицеров сводилось к тому, чтобы развернуться и строем фронта уходить, оставляя главные силы противника за собой. При этом варианте японцы теряли свое преимущество в скорости хода и теряли также в силе артиллерийского огня. Витгефт не согласился с этим предложением, решив, пока не наступила темнота, принять кратковременный бой с противником на дальних дистанциях, при этом он полагал, что корабли эскадры не пострадают настолько, чтобы не дойти до Владивостока. После наступления темноты Витгефт предполагал оторваться от неприятеля и выполнить поставленную перед ним боевую задачу. Следовательно, Витгефт не предпринял ничего, что могло бы задержать японцев и затруднить им погоню, а такая возможность была: адмирал имел в своем распоряжении семь миноносцев, которые можно было использовать для атаки главных сил противника.
Перед началом второй фазы боя командующий передал семафором до линии, чтобы эскадра вела огонь по головному кораблю противника, а с заходом солнца следила за “Цесаревичем”.
Вторая фаза боя началась в 16час.45мин. при расстоянии между противниками, равном 45кабельтовым. Японские главные силы находились на правом траверзе; головным шел “Миказа”, затем “Асахи”, “Фуджи”, “Шикишима”, “Кассута”, “Ниссин” и “Якумо”. В строю русских изменений не произошло. Первым открыл огонь немного отставший от эскадры броненосец “Полтава”. Остальные корабли последовательно вступали в бой, стреляя по флагманскому броненосду противника. “Миказа”, получивший в начале боя несколько прямых попаданий, отвернул, но, оправившись от удара, вновь лег на прежний курс. Броненосцы . и броненосные крейсера неприятеля вели огонь главным образом по “Цесаревичу”, стараясь вывести его из строя и нарушить управление эскадрой.
В ходе боя “Цесаревич” получил несколько попадании. Для того чтобы выйти из-под огня противника, улучшить условия стрельбы для своих кораблей и не дать возможности врагу охватить голову эскадры, Витгефт приказал повернуть на два румба влево и увеличить ход до 15узлов. “Севастополь” и “Полтава” сразу же начали отстаивать, и ход . снова пришлось уменьшить.
Во время маневрирования Виттефту представлялась возможность послать в атаку миноносцы, но по неизвестной причине командующий этого не сделал. Он находился на нижнем мостике “Цесаревича” и безучастно наблюдал за ходом боя. На неоднократные советы окружающих - уйти в боевую рубку адмирал не обращал внимания.
В начале шестого часа мостик, где находился командующий и некоторые офицеры его штаба, заволокло дымом: крупнокалиберный снаряд противника разорвался в середине фок-мачты. Витгефт был разорван (тело его не нашли); погибли флагманский штурман лейтенант Азарьев, флаг-офицер мичман Эллис и несколько матросов; большая часть офицеров, в том числе и начальник штаба контр-адмирал Матусевич, были тяжело ранены.
Эскадру повел командир “Цесаревича” капитан 1ранга Иванов, умышленно не подавая сигнала о гибели командующего, чтобы не вызвать в разгаре сражения растерянности среди офицеров эскадры.
В 17час.45мин. осколки второго тяжелого снаряда вывели из строя находившихся в рубке офицеров и матросов. Взрывом был поврежден рулевой привод и все приборы управления броненосцем и артиллерийским огнем. В момент взрыва руль корабля был положен влево и остался в этом положении; броненосец, потерявший управление, начал описывать циркуляцию. Сигнала о том, что он вышел из строя, подать было некому. Командиры следовавших за “Цесаревичем” “Ретвизана” и “Победы”, не зная о случившемся на флагманском корабле, решили, что адмирал, маневрируя, ложится на новый курс, и пошли вслед за ним. Но после того как “Цесаревич” описал почти что полную циркуляцию, стало ясно, что он неуправляем. Строй эскадры был нарушен. Японцы усилили огонь.
Командир “Ретвизана” капитан 1ранга Щенснович, чтобы помочь эскадре восстановить боевой порядок, повернул на неприятеля с намерением таранить один из его кораблей. Японцы сосредоточили по броненосцу сильный огонь. “Ретвизан”, стреляя, шел полным ходом; на мгновенье он закрывался всплесками воды и дымом от разрывавшихся снарядов, и тогда казалось, что броненосец тонет. Когда до противника осталось не более 17каб., на “Миказе” от попадания снаряда поднялся черный столб дыма и окутал всю его переднюю часть.
В эти решительные минуты Щенснович был ранен осколком. Замысел не удалось осуществить до конца, “Ретвизан” отвернул, его маневр дал возможность командирам других русских кораблей выровнять строй. Но у них не хватило решимости последовать за “Ретвизаном” и поддержать его атаку.