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.
