Армия Ноги начала усиленную подготовку к первому штурму крепости. Японская осадная артиллерия усилила бомбардировку ее внутренней гавани. Стало очевидным, что если русская эскадра в ближайшее время не покинет Порт-Артур, то может бесславно погибнуть. В Желтом же море она имела немалые шансы на успех в столкновении с Соединенным флотом Того и хорошую возможность для прорыва во Владивосток. Тихоокеанской броненосной эскадре не хватало только одного — нового флотовождя, второго Макарова.

Начало выхода эскадры из порт-артурской гавани контр-адмирал В.К. Витгефт назначил на раннее утро 28 июля. Из Порт-Артура на прорыв выходило 6 эскадренных броненосцев, 4 крейсера, 8 эскадренных миноносцев. Вместе с боевыми кораблями из Порт-Артура вышло госпитальное судно «Монголия».

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 Витгефт не дал. Он только предложил им пользоваться в бою инструкциями, которые в свое время были выработаны 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. 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 погибли 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 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 «Микаса» попало 22 крупнокалиберных снаряда, в «Цесаревич» было 9 попаданий. Большие повреждения оказались на броненосном крейсере «Ниссин». Больше всего флагману «Микасе» досталось от меткого огня эскадренного броненосца «Ретвизан», которым командовал капитан 1-го ранга Э.Н. Щенсанович.

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.

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 выйти в море.

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».