Один из них, «Страшный», на обратном пути догнал шедшие к Порт-Артуру 4-трубные японские истребители отряда И. Исида — «Икадзути», «Оборо», «Инадзума» и «Акебоно» — и принял их за своих. Когда на рассвете «Страшный» показал опознавательные, на него внезапно обрушился шквал огня. В первые же минуты боя погиб командир эскадренного миноносца капитан 2-го ранга К.К. Юрасовский. Неравную борьбу героического экипажа возглавил лейтенант Е.А. Малеев, который до последней возможности отстреливался из многоствольной пушки Норденфельдта, снятой ранее с японского брандера. Вскоре в минном аппарате «Страшного» от попавшего снаряда взорвалась приготовленная к выстрелу мина Уайтхеда, разметав по искалеченной верхней палубе убитых и раненых, миноносец начал тонуть. Японский отряд, использовав преимущество внезапности и подавляющее превосходство в силах, потерял всего 5 человек ранеными.

Эскадренный миноносец «Смелый» лейтенанта М.К. Бахирева вслед за «Страшным» тоже едва не попал в японскую ловушку, но смог оторваться от противника и доложил обстановку командующему флотом. На выручку «Страшному» полным ходом направился крейсер «Баян», отогнавший японские истребители. При этом «Баян» вступил в бой с приближавшимися к Порт-Артуру броненосными крейсерами 2-й японской эскадры. Умело маневрируя под огнём противника, командир «Баяна» капитан 1-го ранга Р.Н. Вирен смог поднять из воды 5 матросов из экипажа затонувшего «Страшного», вместе с которым погибли все четыре офицера и 47 нижних чинов.

«Баян» повернул к Порт-Артуру, откуда навстречу японцам на «Петропавловске» вышел командующий флотом. С присоединением «Полтавы», «Баяна», «Аскольда» и «Новика», не дожидаясь выхода остальных броненосцев, С.О. Макаров атаковал японские крейсера. Вскоре «Петропавловск» открыл огонь из 12" орудий. Японцы отступили, но в 25 милях от Порт-Артура с мостика «Петропавловска» обнаружили главные силы Соединённого флота: 6 броненосцев и 2 новых броненосных крейсера («Ниссин» и «Касуга»). Ввиду превосходства противника С.О. Макаров решил вернуться на внешний рейд, где в кильватер «Полтаве» вступили «Пересвет» и «Победа». «Севастополь» находился ещё на выходе из бассейна, когда русский флагманский корабль начал обычный маневр — «восьмёрку»: адмирал Макаров собирался принять бой под прикрытием береговых батарей. Однако X. Того по-прежнему избегал риска малейших потерь и держался на дистанции более 100 кб.

В 9 час. 39 мин. «Петропавловск» подорвался на японской мине (или на нескольких минах, связанных цепью), взрыв которой вызвал детонацию боевых зарядных отделений мин Уайтхеда, якорных мин в носовом минном погребе и боезапаса в крюйт-камере 12" зарядов. По воспоминаниям очевидца броненосец «сразу накренился и стал уходить носом в воду, над местом взрыва выкинуло громадное пламя и целую кучу дыма… Палуба мгновенно была объята пламенем. Трубы и мачты куда-то исчезли, корма выскочила из воды, винт левой машины заработал в воздухе, люди падали кучами, многие падали в винт, и их размалывало на наших глазах…». 11 Через полторы-две минуты после первого взрыва «Петропавловск» скрылся под водой. Шлюпки с «Полтавы», «Аскольда», «Гайдамака» (минный крейсер) и эскадренных миноносцев спасли из воды 80 человек, в том числе командира броненосца капитана 1-го ранга Н.М. Яковлева, капитана 2-го ранга великого князя Кирилла Владимировича и 5 других офицеров.

На «Петропавловске» погибли 650 человек, среди них были адмиралы С.О. Макаров и М.П. Молас, и такие выдающиеся офицеры флота, как М.П. Васильев, А.К. Мякишев, Н.А. Кроун и К.Ф. Шульц, а также ветеран многих войн и походов художник В.В. Верещагин, бывший на броненосце в качестве волонтёра (выпускник Морского корпуса 1860 г.).

Вскоре броненосец «Победа» также подорвался на мине, но остался на плаву и был уведён на внутренний рейд командиром-капитаном 1-го ранга В.М. Зацаренным. На русских кораблях предположили, что против них действуют подводные лодки, и открыли беспорядочную стрельбу по воде и плававшим на её поверхности обломкам. Адмирал X. Того, тем не менее, не рискнул воспользоваться растерянностью противника, и около 15 час. Соединённый флот скрылся за горизонтом.

Катастрофа 31 марта имела необратимые последствия для российского флота: с гибелью С.О. Макарова флот потерял вождя, которого было трудно заменить. Среди десяти других адмиралов, самостоятельно командовавших флотом, эскадрами и отрядами в русско-японской войне, ни один не мог сравниться с первым командующим флотом Тихого океана. По образному признанию самих японцев С.О. Макаров на фоне своих коллег выглядел как «благородный журавль среди домашних петухов». 12

Гибель вождя произвела тяжёлое моральное впечатление на весь личный состав флота — от нижних чинов до старших офицеров и адмиралов. Очевидец катастрофы капитан 2-го ранга В.И. Семёнов записал в дневнике, как он укорял старшего боцмана «Дианы» за «похоронный» вид, «требовал, чтобы он всячески подбодрял команду, внушал, что без потерь нельзя — на то она и война». И боцман ответил: «Что броненосец! Хоть бы два, да ещё и пару крейсеров в придачу! — Голова пропала!». 13 У адмиралов В.К. Витгефта, П.П. Ухтомского и других, так же, как и у многих командиров кораблей 1-го ранга (Р.Н. Вирен) после 31 марта пропала уверенность в своих силах. Они, заведомо признавая превосходство японцев на море, уже не пытались возродить традиции наступательной тактики, сторонником которой был безвременно погибший С.О. Макаров.

С гибелью «Петропавловска» и подрывом «Победы» в распоряжении адмирала Е.И. Алексеева, прибывшего 2 апреля в Порт-Артур для личного руководства флотом, оказалось всего 3 линейных корабля и сравнительно слабый «Баян» против 14 японских броненосцев и броненосных крейсеров. При таком соотношении сил активные действия могли привести к гибели остатков русского флота в неравном бою с противником. Поэтому Е.И. Алексеев, подняв флаг на «Севастополе» и назначив флаг-капитаном походного штаба Н.О. Эссена, избрал сугубо оборонительный образ действий, ожидая окончания ремонта повреждённых броненосцев.