Почти все шлюпки были оставлены в Порт-Артуре, чтобы уменьшить число осколков; были устроены траверзы из мешков с песком и с углем. На «Чин-Иен» помпы работали непрерывно малым ходом, и вода все время обильно смачивала нижнюю палубу для предотвращения пожаров.
Принимая во внимание слабую военную и морскую подготовку эскадры и неразвитую еще в достаточной мере систему сигнализации, Тин (по соглашению с Ганнекеном) решил отказаться от правильного эскадренного боя и предоставить в случае сражения каждому командиру полную свободу действий. Однотипные суда должны были поддерживать друг друга, предписывалось держать носом на противника и в общем следовать движениям адмирала. Боевым порядком он избрал строй двойного ломаного фронта, поставив самые сильные суда в середине этого строя.
Находившийся под командой вице-адмирала графа Ито, японский флот был разбит на две эскадры. Меньшая из них – летучая или крейсерская эскадра – состояла из 4 крейсеров с водоизмещением в 3 700-4 000 тонн и ходом в 19 узлов; флагманский крейсер контр-адмирала Цубоя (12 орудий) давал даже 22 узла. Главная эскадра состояла из 2 более старых броненосцев небольшого водоизмещения, 3 бронепалубных 17-ти узловых крейсеров и одного небольшого броненосного крейсера (19 узлов). Флагманским кораблем был бронепалубный крейсер «Мацусима».
Эскадра должна была сражаться в строе кильватера и все время сохранять этот строй. За эскадрой держалось два небольших судна; на одном из них находился адмирал виконт Кабаяма, собиравшийся в поездку для производства инспекторских смотров. Вооружение судов состояло из 120 пушек Канэ, Круппа и Армстронга, среди которых имелось 15 орудий крупного калибра; патроны скорострельных пушек были уже снаряжены бездымным порохом; недостатка в боевых припасах не ощущалось.
Ито дал своему флоту очень хорошую подготовку; командиров он обучил управлению, заставляя их маневрировать на паровых шлюпках. Сигнализация была поставлена великолепно. Офицеры были знакомы с новейшими тактическими взглядами и очень хорошо подготовлены. Управление флотом Ито не выпускал из своих рук, хотя и предоставлял известную свободу действий отдельным дивизиям. План его сводился к тому, чтобы разбить противника в артиллерийском бою на дальних дистанциях, и только в случае необходимости сойтись на близкие дистанции для одержания окончательной победы. Ито сделал только дну ошибку – не захотел расстаться с двумя устаревшими кораблями, имевшими не особенно сильное вооружение и значительно меньший ход (11-12 узлов), чем другие суда.
В 10 часов утра 17 сентября адмиралу Тину доложили о появлении на юге дымков неприятельского флота. Он немедленно снялся с якоря с 10 судами своей эскадры и пошел навстречу противнику. Японцы заметили его приближение только в 11:30.
Несмотря на то, что Тин держал эскадренный ход всего 5-6 узлов, оба фланга отстали, так что китайский флот фактически шел в строе полумесяца, имея в середине оба броненосца. Вспомогательный отряд вышел позже. При появлении противника Ито немедленно дал сигнал «команда имеет время обедать» между тем как китайцы в этот день остались совсем без обеда. Ито приближался к противнику, имея впереди себя летучую эскадру; главные силы шли в строе кильватера. Сейчас же после полудня он дал сигнал «приготовиться к бою». В этот момент оба флота находились на северо-восток от Хаянгтау, в 20 милях от него.
Через четверть часа Тин открыл огонь с дистанции в 6 000 метров. От сильного сотрясения командного мостика адмирал упал и его пришлось унести вниз; в командование вступил флаг-капитан Пун Чин.
Ито приказал теперь летучей эскадре изменить курс влево, для обхвата правого фланга китайцев; Тин предупредил этот маневр, повернув свои суда «все вдруг» на 2 румба вправо, но внес этим еще больший беспорядок в построение своих главных сил.
Японцы открыли огонь с 3 000 метров в тот момент, когда головной корабль их легкой эскадры повернул опять вправо для обходя противника. Огонь их сосредоточился на двух правофланговых судах, которые вскоре загорелись. На «Тин-Иене» сразу же были сбиты все сигнальные приспособления, вследствие чего прекратилось дальнейшее управление флотом сигналами. Оба загоревшиеся корабля взяли курс к берегу; одному из них удалось выброситься у Талутау. Другой крейсер столкнулся с «Чи-Иеном», спасавшимся бегством с левого фланга, и затонул на мелководье, так что впоследствии удалось снять его команду с мачт. Поведение командира «Чи-Иена» является вообще довольно странным. Второй корабль левого фланга тоже обратился в бегство и потерпел крушение у Порт-Артура. Команда спаслась на берег, корабль же был впоследствии уничтожен японской канонеркой. Оставшиеся 6 китайских кораблей следовали движениям противника, маневрируя по кругу и стараясь сохранить свой строй фронта; при этом они часто мешали друг другу стрелять.
Японская летучая эскадра повернула опять вправо и собиралась пройти за кормой китайцев, когда на востоке открылся китайский вспомогательный отряд. Заметив его, начальник летучей эскадры изменил по собственной инициативе курс влево. Вновь появившиеся китайские суда также легли на север, не выказывая никакого намерения принять участие в бою.
Тем временем главные силы Ито находились уже к востоку от эскадры Тина. Этот последний оказался между главными силами японцев и тремя их слабыми судами, а именно: канонеркой «Акаги», транспортом «Сайкио» и подбитым броненосцем «Хией». Эти суда попали в очень скверное положение: «Хией» удалось прорвать конец неприятельской линии и стать в конце главной эскадры; оба остальных были выручены вернувшейся летучей эскадрой. Во главе с «Иосино» она прикрыла собой эти маленькие суда и «Хией», встав между ними и китайцами. Сигнал Ито : «вступить в кильватер главным силам» не был исполнен; летучая эскадра продолжала свою циркуляцию влево.
Во время этой фазы боя китайцы потеряли три корабля: один крейсер загорелся от попавших в него снарядов японской канонерки, другой перевернулся вследствие пробоин у ватерлинии и третий затонул после сильного пожара, вызванного попаданием гранат.
Летучая эскадра обошла оба китайских броненосца, продолжая свою циркуляцию влево, а главные силы охватили их с другой стороны, повернув для этого вправо. Таким образом японцы продолжали описывать круги вокруг обоих китайцев, держась от них на дистанции в 2 000-3 000 метров.
Около 2 часов дня, т. е. через полтора часа после начала боя, китайские броненосцы расстреляли весь свой запас гранат. Несмотря на то, что их команда не видела никакого эффекта от стрельбы этими гранатами, на то, что все надстройки были буквально изрешетены снарядами, и на ряд пожаров, они все еще продолжали сопротивление.
В 3 часа дня Ито пришлось покинуть свой сильно пострадавший флагманский корабль «Мацусима» и перенести флаг на «Хасидате». Эта переправа и наступивший теперь недостаток в снарядах вызвали большие перерывы в огне японцев.
Вскоре Ито пришел к заключению, что дальнейший обстрел китайских броненосцев ни к чему не ведет, и преследовал их только издали, когда они около 5 часов начали медленно удаляться к западу. Наконец Ито изменил курс к югу, находясь все время настороже против возможных атак двух уцелевших китайских миноносцев, находившихся к северу от места сражения.
Вооруженный транспорт «Сайкио», на котором находился адмирал Кабаяма, принял участие в бою вопреки приказанию Ито и получил очень серьезные повреждения. С большим трудом он взял курс на Талутау, получив еще несколько пробоин у ватерлинии от снарядов китайских броненосцев. В таком состоянии он подвергся атаке вспомогательной эскадры, и едва увернулся от трех мин, пущенных с одного из миноносцев. Вечером ему удалось добраться до главных сил, с которыми в то же время успели опять соединиться и броненосец береговой обороны, и канонерка.
Тин собрал остатки китайской эскадры в Порт-Артуре. Ито вернулся утром 18 сентября на место сражения, где одно из его судов добило минными выстрелами маленький китайский крейсер.
