Вице-адмирал X. Того, находившийся у островов Эллиот, ещё утром через контр-адмирала С. Дева (флаг на «Титосе») получил донесение истребителя «Сиракумо» о выходе русских на рейд и поспешил стянуть к Порт-Артуру все имевшиеся в наличии корабли. Японский главнокомандующий собирался в светлое время вступить в артиллерийский бой с русской эскадрой, а ночью довершить дело минными атаками. ²⁰

Вскоре после 17 час. в 20 милях от Порт-Артура с «Цесаревича» увидели главные силы противника, которые составляли 4 броненосца и броненосные крейсера «Ниссин» и «Касуга» под личным командованием X. Того (флаг на «Микаса»). Раздельно с ними маневрировали отряды крейсеров и миноносцев, в количестве которых японцы имели явное преимущество. Встреча флотов изменила планы обоих флотоводцев: X. Того был неприятно удивлен количеством вышедших в море русских броненосцев, а В.К. Витгефт — сосредоточением всего японского флота, кроме эскадры X. Камимура. Русскому адмиралу, исходя из общего стратегического положения, следовало стремиться к решающему бою на короткой дистанции с целью потопить или вывести из строя несколько наиболее ценных японских броненосных кораблей. Имея 6 броненосцев и 4 больших крейсера соответственно против четырёх и семи японских, В.К. Витгефт мог рассчитывать на некоторый успех дневного артиллерийского столкновения. Повреждённые русские корабли имели возможность укрыться в Порт-Артуре, а японским предстоял долгий путь до доков Сасебо и Йокосуки.

Даже небольшие потери японцев в крупных кораблях могли нарушить их планы высадки войск на Квантуне и коммуникации с метрополией. Это грозило поражением японской армии на материке. Японский флот, в свою очередь, лишался бы части сил, необходимых для встречи русских подкреплений, вооружавшихся в Балтийском море.

В первые минуты встречи флотов казалось, что сражение неизбежно: подняв стеньговые флаги русская эскадра пошла на сближение с японским флотом. Для того, чтобы занять выгодное положение между противником и заходящим солнцем на фланге броненосцев X. Того, В.К. Витгефт увеличил ход до 14 уз и склонился вправо.

Правда, тактический замысел русского командующего предусматривал бой фронтом на отступление вместо решительного сближения с противником. Но и этот замысел не был реализован: в 18 час. 50 мин. в расстоянии 55 кб от главных сил неприятеля эскадра повернула в Порт-Артур. Считая, что японцы значительно превосходят эскадру по количеству миноносцев и орудий среднего калибра, В.К. Витгефт посчитал сражение слишком рискованным и принял решение отражать минные атаки на якоре.

Вице-адмирал Того, в свою очередь, памятуя о русской балтийской эскадре, не решился вступать в эскадренное сражение, рискуя сближением или открытием огня: броненосцы противников разошлись без единого выстрела.

В наступившей темноте японский главнокомандующий послал в атаку свои многочисленные миноносцы. Минные атаки японцев начались около 20 час. 30 мин., через час с небольшим русская эскадра встала на якорь на внешнем рейде и отражала нападения миноносцев до рассвета. Японские корабли выпускали мины Уайтхеда с дистанцией 5-10 кб под интенсивным огнём русских кораблей, который сбивал с курса атакующие миноносцы. Боевое освещение русские открывали только с берега и флагманских кораблей, оставляя полное затемнение в центре.

Ночной бой закончился для японцев неудачно: 30 атаковавших миноносцев выпустили 38 мин, из которых, вероятно, попала всего одна — и то в свой миноносец «Чидори», который с трудом удалось довести до островов Эллиот. Миноносцы «Чидори», «Касасаги», № 66, № 64, № 53 и истребитель «Сиракумо» получили попадания с русских кораблей, выпустивших 3072 снаряда, в том числе 29 крупного и 484 среднего калибров. При этом только «Сиракумо» был серьёзно поврежден с потерей 8 человек, но благополучно добрался до острова Раунд.

Тактика японских миноносцев, несмотря на их хорошее наведение, оказалась неэффективной. Но и оборона русской эскадры оставляла желать лучшего. При мизерном проценте попаданий (0,2 %) ночная стрельба эскадры не обеспечила надёжное поражение миноносцев из-за ничтожного эффекта разрывов малокалиберных (37-, 47- и 75мм) снарядов.

Гораздо опаснее для русских кораблей оказалось ночное форсирование минных заграждений. В 21 час. 35 мин. при подходе к месту постановки на якорь броненосец «Севастополь» подорвался на мине, вода затопила 6" носовой патронный погреб и угольную яму по левому борту. Экипаж корабля умело боролся за живучесть и сохранил его на плаву. С утренней полной водой этот броненосец вместе с другими кораблями вошёл на внутренний рейд. За мужественные и умелые действия по локализации пробоины и выравниванию крена трюмный механик «Севастополя» И.И. Белов был награжден орденом Св. Георгия 4-й степени. Исправление повреждений этого броненосца с помощью кессона, изготовленного ранее для «Ретвизана», заняло более полутора месяцев.

Выход эскадры в море в полном составе после длительного перерыва произвёл большое впечатление на японцев и наряду с успешным набегом Владивостокского отряда, отчасти повлиял на темпы высадки сухопутных войск противника. Однако нерешительность В.К. Витгефта и недостаточная боеготовность эскадры не позволили использовать благоприятную возможность для ослабления японского флота и изменения обстановки под Порт-Артуром. Фактически возвращение эскадры, несмотря на безрезультатный бой с японскими миноносцами, означала крупное поражение русских в борьбе за господство на главном театре военных действий. Японцы продолжали блокадные операции, а возможность повторного выхода русской эскадры отодвигалась более чем на месяц из-за повреждения «Севастополя». Пассивная деятельность российского флота в боевых действиях в Жёлтом море отныне была предопределена.