Эскадра была обеспечена углем и припасами, но на кораблях не хватало орудий верхней палубы, снятых с кораблей для усиления крепостной обороны. Выйти в море с эскадрой не смог только крейсер "Баян", двумя неделями раньше подорвавшийся на вражеской мине. В базе оставались также канонерские лодки, необходимые для обороны крепости, и большая часть миноносцев, которым было не под силу совершить такой длительный переход.
Никаких прямых указаний командирам кораблей контр-адмирал В.К. Витгефт не дал. Он только предложил им пользоваться в бою инструкциями, которые в свое время были выработаны погибшим вице-адмиралом С.О. Макаровым. На совещании флагманов и командиров кораблей временно исполняющий обязанности командующего Тихоокеанской эскадрой сказал: "Кто может, тот и прорвется".
Японский Соединенный флот во всей своей силе поджидал русских в Желтом море. Вице-адмирал Хейхатиро Того имел преимущество в артиллерии и скорости хода своих броненосных, более современных кораблей. Морское сражение началось в 12 часов 20 минут: японцы с дистанции 80 кабельтовых первыми открыли огонь. Русские корабли открыли ответный огонь только тогда, когда сблизились с противником на дистанцию 65 кабельтовых.
Через полчаса после начала сражения в Желтом море японский 12-дюймовый (305-миллиметровый) снаряд ударил в фок-мачту флагманского броненосца "Цесаревич" и разорвался прямо над адмиральским мостиком. При взрыве погиб контр-адмира В.К. Витгефт и почти весь его штаб. После повторного попадания японского снаряда, угодившего в боевую рубку броненосца, и гибели командира флагмана капитана 1-го ранга Н.М. Иванова управление Тихоокеанской эскадрой было окончательно утрачено.
По иронии судьбы гибель командующего русской эскадрой произошла в тот самый момент, когда вице-адмирал Хейхатиро Того, считая, что прорыв русских удался и воспрепятствовать их дальнейшему движению практически невозможно, уже приказал кораблям Соединенного флота отходить в Сасэбо. В это время японские снаряды дважды поразили эскадренный броненосец "Цесаревич" и он вышел из общего кильватерного строя. Того, видя такое, сразу же отменил только что продиктованный им приказ, который в ту минуту еще не успели передать.
Сражение в Желтом море закончилось без потерь в кораблях для сразившихся сторон. Наибольшие боевые повреждения получили флагманские эскадренные броненосцы: в японский "Микаса" попало 22 крупнокалиберных снаряда, в русский "Цесаревич было 9 попаданий. Большие повреждения оказались на броненосном крейсере "Ниссин". Больше всего флагману "Микасе" досталось от меткого огня эскадренного броненосца "Ретвизан", которым умело командовал капитан 1-го ранга Э.Н. Щенсанович.
Моряки порт-артурской эскадры, несмотря на боевые потери, показали высокую стойкость в сражении. "Настроение команды было прекрасное... Было полное спокойствие, уверенность в своих силах, решимость драться насмерть", - доносил позже старший офицер эскадренного броненосца "Полтава". Командир "Севастополя" отмечал, что в бою каждый свое дело выполнял спокойно и без суеты, пожары тушились без всякого шума.
С наступлением темноты японские броненосные корабли прекратили огонь по русской эскадре, которая в своем большинстве повернула обратно к Порт-Артуру. В атаку против отходившего противника вице-адмирал Хейхатиро Того направил большой отряд эскадренных миноносцев, а сам с броненосными кораблями пошел в Корейский пролив. Атаки японских миноносцев из-за их слабой подготовки к ночным действиям носили нерешительный характер и ущерба русским кораблям они не нанесли.
Восемь из восемнадцати кораблей Тихоокеанской эскадры вернулось в Порт-Артур. Остальные корабли, за исключением крейсера "Новик", прорвались в нейтральные порты, где были задержаны (интернированы) до официального окончания русско-японской войны. Крейсер "Аскольд" и эскадренный миноносец "Гремящий" прорвались в китайский порт Шанхай. Поврежденный броненосец "Цесаревич" и миноносцы "Бесшумный", "Бесстрашный" и "Беспощадный" - в порт Циндао, арендованный Германией. Эскадренный миноносец "Бурный" - в порт Вэйхайвэй (аренда Великобритании). Крейсер "Диана" - во вьетнамский порт Сайгон французского Индокитая. Миноносец "Решительный" - в китайский порт Чифу (современный город Яньтай).
Крейсер "Новик", пытавшийся прорваться к Владивостоку, почти достиг его. Близ Корсаковского поста (японский Отомари, современный город Корсаков на острове Сахалин) крейсер, который хотел здесь произвести бункеровку, то есть пополнить запасы угля, вступил в неравный бой с подошедшими двумя японскими крейсерами. Во время боя "Новик" получил серьезные повреждения, что заставило команду затопить свой корабль. Экипаж крейсера сошел на берег Сахалина, сняв с корабля часть артиллерийского вооружения для обороны Корсаковского поста в случае нападения на него вражеского десанта.
После сражения в Желтом море броненосные корабли порт-артурской эскадры уже не использовались для активных действий против японского Соединенного флота в открытом море. Эскадренные броненосцы "Ретвизан", "Победа", "Пересвет" и крейсер "Паллада" находились в полной исправности и всегда были готовы выйти в море. На крейсере "Баян" и броненосце "Полтава" заканчивался ремонт. И только эскадренный броненосец "Севастополь" из-за сильных повреждений не мог до конца осады Порт-Артура покинуть внутреннюю гавань.
В конце августа - начале сентября русские корабли, стоявшие в гавани на якоре, многократно вели обстрелы японских позиций. Всего было выпущено около 250 крупнокалиберных снарядов. Огонь корректировался наблюдателями и был эффективен. В то же время на внешнем рейде продолжалось траление японских мин. Русские эскадренные миноносцы не раз выходили в море и совершали в соседних бухтах ночные минные постановки. От них в сентябре погибли японский истребитель "Хаядорн" и канонерская лодка "Хайнен". На вражеских минах подорвались и погибли миноносцы "Разящий" и "Выносливый".
После сражения в Желтом море началось разоружение порт-артурской эскадры. Морские батареи, установленные на берегу, были приписаны к эскадренным броненосцам и крейсерам, командиры которых обязывались обеспечивать батареи всем необходимым. Тихоокеанская эскадра, будучи в начале войны намного слабее неприятельского Соединенного флота, после шести месяцев боевых действий, не добившись побед на море и потеряв всего один броненосец "Петропавловск" из семи и несколько малых кораблей, перестала существовать как боевая морская организованная сила. Корабельная артиллерия была перевезена на сушу, на сухопутный фронт ушла и большая часть команд.
Своеобразным ответом на сражение в Желтом море стали действия владивостокского отряда крейсеров под командованием контр-адмирала К.П. Иессена. В середине июня крейсер "Громобой" потопил пароход "Идзумо-Мару" и военный транспорт "Хитачи-Мару", на котором находилось почти 1100 солдат и офицеров гвардейского полка, 120 человек команды, 320 лошадей и 18 осадных гаубиц калибром 280 миллиметров, предназначавшихся для обстрела Порт-Артура. В тот же день торпедами крейсера "Рюрик" был серьезно поврежден другой большой военный транспорт "Садо-Мару".
В день прорыва порт-артурской эскадры и сражения в Желтом море отряд владивостокских кораблей вышел в Японское море для ее встречи. 1 августа 1904 года в Корейском проливе, близ залива Ульсанман, в 36 милях севернее острова Цусима, произошло морское сражение. В нем против трех русских легких крейсеров - "Россия", "Громобой" и "Рюрик" участвовало 6 броненосных крейсеров эскадры контр-адмирала Хиконоэ Камимуры - "Итзума", "Адзума", "Токива", "Ивати", "Нинива" и "Такашихо". Сражение началось в 4 часа 45 минут с дистанции 60 кабельтовых. Японцы имели полное преимущество и в численности, и в артиллерийском вооружении, и в скорости хода.
В ходе боя на крейсере "Рюрик" было выведено рулевое управление и он поднял флажный сигнал "Не могу управляться". После этого японские корабли сосредоточили на нем свой огонь. "Громобой" и "Россия" попытались было отвлечь вражеский огонь на себя, но безуспешно. Через некоторое время они, получив значительные повреждения, вышли из боя и взяли курс на Владивосток, преследуемые японскими броненосными крейсерами. То, что "Громобой" и "Россия" на всех парах продолжали путь к Владивостоку и предоставили "Рюрик" своей судьбе, был на русском флоте за всю его более чем 200-летнюю славную историю случаем едва ли не беспрецедентным.
"Рюрик" некоторое время пытался следовать за ними, но около 8.30 стал заметно отставать, после чего развернулся навстречу преследователям и завязал бой один против четырех. Бой единственного устаревшего русского крейсера против четырех новейших японских броненосных крейсеров продолжался еще почти четыре часа. "Рюрик" получил свыше 50 попаданий, к концу боя потерял всю артиллерию, 202 человека экипажа были убиты и 238 ранены. Погибли командир корабля капитан 1-го ранга Евгений Александрович Трусов и старший офицер капитан 2-го ранга Н.Н. Холодовский.
