Стессель и его окружение рассматривали оборону Порт-Артура вне связи с боевыми действиями Маньчжурской армии. Связь с ней была утрачена. Беспроволочный телеграф бездействовал, а аэростатов для того, чтобы наладить связь по воздуху, не было. Командование эскадрой со своей стороны также не принимало никаких мер для того, чтобы установить связь блокированной японскими войсками крепости с армией А.Н. Куропаткина.

Существенным упущением являлось то, что к 17(30) июля не было разработано плана обороны крепости, что неизбежно обрекало ее гарнизон на пассивность и ставило его деятельность в зависимость от намерений противника.

После неудачной попытки прорваться во Владивосток 10(23) июня, окончившейся возвращением эскадры в Порт-Артур, адмирал В.К. Витгефт докладывал, что не считает более возможным без надежды на успех вступать в бой с превосходящими силами неприятельского флота. О своих дальнейших намерениях он сообщал командованию следующее: «Осмотревшись и выждав дальнейшего хода событий, действовать сообразно обстоятельствам».

Однако в ответ на эти туманные рассуждения он получил прямое указание наместника: тотчас же по исправлении повреждений на броненосце «Севастополь» вновь предпринять попытку прорваться во Владивосток. Но Витгефт не верил в успех прорыва. Он медлил до тех пор, пока не получил приказа прорываться во Владивосток. «Гибель эскадры в гавани в случае падения крепости… — сообщили Витгефту из штаба наместника, — ляжет неизгладимым пятном на Андреевский флаг и на честь родного флота». Но ничего другого не оставалось делать, как подчиниться приказу и начать прорыв, в успех которого ни сам Витгефт, ни большинство командиров кораблей не верили.

Неудачная попытка прорыва 10(23) июня и продолжительное пребывание кораблей в базе почти без выхода в море отрицательно сказались на боеготовности русской эскадры. За это время в значительной мере был подорван моральный дух личного состава. Этому в первую очередь способствовал сам Витгефт, который не верил в силу эскадры и считал, что она при любых условиях непременно потерпит поражение. Поэтому при подготовке к прорыву он отказался от составления плана. Он не понимал, что при сложившейся обстановке прорыв кораблей без боя невозможен, что перед эскадрой надо было поставить конкретную задачу, указав, что бой — единственный способ ее решения. На вопросы командиров кораблей он отвечал общими фразами, обещая руководствоваться рекомендациями С.О. Макарова.

Первая Тихоокеанская эскадра, выведенная для прорыва, состояла из 6 эскадренных броненосцев, 4 крейсеров и 8 миноносцев. Выйти в море вместе с эскадрой не мог крейсер «Баян», двумя неделями раньше подорвавшийся на мине. Пришлось оставить в базе также канонерские лодки и большую часть миноносцев, которые не могли совершить такой длительный переход.

Японский флот имел в это время 4 эскадренных броненосца, 8 броненосных крейсеров, около 15 легких крейсеров и до 50 миноносцев. При этом японские броненосные крейсера не уступали в силе русским эскадренным броненосцам и могли вести с ними бой. Таким образом, адмирал Того имел превосходство в броненосных кораблях. Перевес этот был еще большим, если учесть легкие крейсера и миноносцы и то обстоятельство, что русская эскадра не могла развить скорость более 14 узлов. Последнее обусловливалось тем, что машины «Севастополя» не могли дать больший ход, а корпуса броненосцев «Цесаревич», «Ретвизан» и «Победа» после подрыва на минах были не очень надежными.

Ослабила эскадру и помощь Порт-Артуру, куда посылали не только часть личного состава, но и артиллерию. Значительная часть корабельной артиллерии, приданная крепости, к моменту прорыва на корабли не была возвращена, что в известной мере отразилось на мощности артиллерийского огня эскадры.

28 июля (10 августа) с 4 часов 30 минут начался выход русской эскадры. Он продолжался в течение 4 часов. На внешний рейд вышли броненосцы «Цесаревич» под флагом контр-адмирала В.К. Витгефта (командир капитан 1-го ранга Н.М. Иванов), «Ретвизан» (командир капитан 1-го ранга Э.Н. Щенснович), «Победа» (командир капитан 1-го ранга В.М. Зацарённый), «Пересвет», на котором находился второй флагман эскадры контр-адмирал П.П. Ухтомский (командир капитан 1-го ранга В.А. Бойсман), «Севастополь» (командир капитан 1-го ранга Н.О. Эссен), «Полтава» (командир капитан 1-го ранга И.Н. Успенский); крейсера «Аскольд» под флагом контр-адмирала Н.К. Рейценштейна (командир капитан 1-го ранга К.А. Грамматчиков), «Паллада» (командир капитан 1-го ранга В.М. Сарнавский), «Диана» (командир капитан 2-го ранга А.А. Ливен), «Новик» (командир капитан 2-го ранга М.В. Шульц); эскадренные миноносцы «Выносливый» (брейд-вымпел капитана 2-го ранга Е.П. Елисеева), «Властный» (командир лейтенант А.А. Ковалевский), «Грозовой» (командир лейтенант А.А. Бровцын), «Бойкий» (командир лейтенант И.И. Подъяпольский), «Бесшумный» (командир лейтенант Д.Н. Максимов), «Бесстрашный» (командир лейтенант П.Л. Трухачев), «Беспощадный» (командир лейтенант Д.С. Михайлов), «Бурный» (командир лейтенант Н.И. Тырков). Вместе с боевыми кораблями из Порт-Артура вышло госпитальное судно «Монголия».

Стояло тихое, ясное утро. Ветер достигал 1 балла. На горизонте виднелись японские миноносцы. В 8 часов 15 минут русская эскадра в кильватерной колонне двинулась в направлении на мыс Ляотешань. В голове колонны шли эскадренные броненосцы, за ними — крейсера. На траверзе броненосцев держались эскадренные миноносцы. Через 30 минут Витгефт передал по эскадре приказ «приготовиться к бою», а затем было объявлено: «Флот извещается, что государь император повелел идти во Владивосток». В 10 часов 30 минут Витгефт отпустил тральщики и направил эскадру в море, положив курс 135 градусов.

Адмирал Того после 6 часов утра стал получать известия о выходе русских кораблей. Замысел Того состоял в том, чтобы охватить голову русской эскадры и сосредоточенным огнем по флагманским кораблям лишить ее управления. В 12 часов 20 минут японцы с дистанции 80 кабельтовых открыли огонь.

Когда дистанция уменьшилась до 65 кабельтовых, русские корабли открыли ответный огонь. Однако, вместо того чтобы решительно атаковать противника и тем самым обеспечить успех прорыва, русский командующий маневрировал, чтобы избежать боевых столкновений. При этом он жертвовал столь важными элементами, как выгодная позиция и курсовой угол.

Не лучше маневрировал и адмирал Того. Пытаясь охватить голову русской эскадры, он настолько неудачно рассчитал свой маневр, что вместо охвата головы русской эскадры оказался за кормой у нее. Неумело японцы использовали и свои крейсера, которые хотя и окружили русскую эскадру, но, не имея определенной задачи, даже и не пытались сковать ее боем и тем самым обеспечить удар главных сил своего флота. Русским кораблям удалось оторваться от противника. В 14 часов 30 минут сражение временно прекратилось. Через два часа японцы, имевшие преимущество в скорости хода, догнали русскую эскадру и снова вступили в бой, во время которого осколком был убит Витгефт.

С гибелью Витгефта управление эскадрой было потеряно. Строй русских кораблей нарушился, каждое судно начало действовать самостоятельно. Подошла ночь. С наступлением темноты корабли противника прекратили огонь. В атаку против отходившей русской эскадры адмирал Того направил миноносцы, а сам с броненосными кораблями пошел в Корейский пролив. Атаки японских миноносцев из-за их слабой подготовки к ночным действиям носили нерешительный характер и не достигли своей цели.

10 из 18 вымпелов русской эскадры в составе 5 броненосцев, 1 крейсера и 4 эскадренных миноносцев вернулись в Порт-Артур. Остальные корабли, за исключением крейсера «Новик», имея повреждения, зашли в нейтральные порты, где были интернированы.

Русской эскадре не удалось решить поставленную задачу и прорваться во Владивосток. Одной из важнейших причин было отсутствие плана морского сражения. Перед командирами кораблей не было поставлено конкретных боевых задач. На случай выхода из строя флагмана не было предусмотрено передачи командования. Адмирал Витгефт не стремился к занятию выгодной для ведения боя позиции. Он делал все возможное, чтобы корабли эскадры уклонялись от боевых действий.