劉步蟾接到李經述總統的密令，大為高興，於是依計行事，誘使俄國的艦隊進入了旅順港。俄國艦隊中計後，劉步蟾乘坐「北京號」，從容不迫指揮著「科學號」、「民主號」、「共和號」等萬噸級的軍艦，加上「定遠艦」、「鎮遠艦」等軍艦，下令敵前大轉向，排布著名的「U」型轉彎，對進入旅順港內俄國的太平洋艦隊展開了猛烈的炮火攻擊。
俄國的軍艦比較集中在狹窄的港口，中國的軍艦的炮彈幾乎達到了「每發必中」的效果，俄國的海軍旗艦「亞歷山大三世」、「尼古拉一世」、「海軍上將烏沙科夫」「海軍上將阿普拉克辛」、「海軍上將謝尼亞文」、「鷹」等6艘戰列艦，開戰不到一個時辰，先後被重創沉沒，旅順港上空火光衝天，很多俄國的輔助戰艦也燃起了大火，俄軍很多人來不及跳海就被燒焦了，俄國艦隊遭到了致命的打擊！
這一戰，38艘俄國戰艦被擊沉21艘，被俘9艘，損失艦艇共27萬噸，陣亡4830人，被俘5917人；中國僅損失2艘魚雷艇，亡17人，傷58人，取得了空前的勝利。而且，俄國新上任不久，公認為沙俄海軍最出色的將領馬卡洛夫海軍中將隨「亞歷山大三世」旗艦同沉。他的死，對於沙俄來說，是一個無可挽回的悲劇，從此俄國太平洋艦隊官兵的士氣一落千丈，不想也再不敢同中國人在大海上戰鬥，繼任的艦隊指揮官認為前途渺茫，下令剩餘的軍艦龜縮到海參崴。
海參崴，為中國領土，是遠東明珠！17世紀中期，清康熙年間清政府和沙俄簽訂的《尼布楚條約》中，明確海參崴所在地區屬清朝。第二次鴉片戰爭中，1858年清政府和沙俄簽訂不平等的《璦琿條約》，還規定包括海參崴的烏蘇里江以東地區為中俄共管。但1860年，俄國又逼迫清政府簽訂不平等的《中俄北京條約》，清政府割讓了烏蘇里江以東包括庫頁島在內的約40萬平方千米的領土，其中包括海參崴。1901年，海參崴是沙俄在遠東地區的一個重要的軍事基地，不過由於距離俄國本土太遠，該地的發展緩慢。1871年沙俄在此建設軍港，將太平洋艦隊駐地從尼古拉耶夫斯克遷於此，1888年成為沙俄濱海省行政中心，劉步蟾在旅順港重創沙俄海軍後，帶領中國艦隊北上，包圍了海參崴，開始收復國土的第一戰！
在地理位置上，海參崴距離吉林省的琿春市僅180公里，擁有天然的不凍港，它瀕臨日本海僅15公里。1901年夏天，從莫斯科到海參崴的西伯利亞大鐵路還沒有修通，海參崴的海防要塞也沒有修築完成。俄軍在海參崴駐紮了兩萬陸軍和海參崴分艦隊，中俄開戰，俄國太平洋艦隊在旅順主力艦被殲，幾乎全軍覆沒，中國獲得完全的制海權，李經述聞訊後大喜，發電報給劉步蟾和段祺瑞，要求海陸空三軍全面出擊，在半個月內拿下海參崴！
海參崴對於今天大多數中國人來說，可能只是一個陌生的地理名詞，但對一百多年前的先輩來說，海參崴像香港、澳門一樣，是中國母親孤懸海外的遊子，也是東北人心中永遠的痛。在吉林省的圖們、延吉、琿春、敦化、長春、吉林市等地區，許多家族的先輩都是海參崴人，吉林人還可以通過圖們江自由出入海參崴走親串友。李經述之所以急切地想中國收回海參崴，因為它自古以來就是中國的領土。它來自滿語。意為「海邊的小漁村」，海參崴在元代稱「永明城」，唐代渤海國時期屬率賓府轄地。海參崴附近的波謝特灣，為元朝東北邊區的對外貿易海港。1860年之前本為中國清朝吉林轄地。如果能一鼓作氣收回海參崴，可以極大鼓舞東北人民打擊俄國人的鬥志。
劉步蟾奉命率領中國艦隊到達海參崴外的圖們江時，原俄國太平洋艦隊司令亞歷山大·維薩里奧諾維奇·史塔克公爵雖然陷入了深深的絕望當中，但還是硬著頭皮帶領整編的俄國海參崴分艦隊迎戰。
這是一場毫無懸念的戰鬥。劉步蟾率領的艦隊擁有「北京號」、「科學號」、「民主號」、「共和號」四艘一萬三千噸級的重炮鐵甲艦，還擁有「定遠」號、「鎮遠」號、「蘇州」號等二十艘性能優越的遠洋鐵甲艦，還有輔助魚雷艦等，總噸位將近25萬噸，指揮官有經驗豐富的英國海軍少校琅威理、海軍副總長鄧世昌、海軍中將黎元洪等。
俄國海參崴分艦隊只有原有的十艘老得掉牙的三千噸級的老式戰艦，一艘一萬三千噸級別的旗艦「尼古拉二世」號，另外加輔助軍艦十艘。這支倉促拼湊的艦隊，某些艦隻尚未完全建成就被迫出海，邊航行邊安裝火炮。官兵戰術技術水平低，有的甚至缺乏起碼的訓練，通信聯絡靠德國造的無線電台，德國技術員一走，電台即形同廢物。有的官兵還受過革命思想影響，具有反抗精神，不願意替沙皇賣命。史塔克公爵早知道出戰的結果，但是，為了自己貴族的榮譽，他選擇了寧死不降。
那天薄薄的霧氣籠罩著整個海參崴，海上風高浪急，史塔克公爵乘坐著一萬三千噸級別的旗艦「尼古拉二世」號，指揮艦隊首先開火，企圖衝出中國艦隊的包圍，但俄國艦隊因為航速慢，沒有得逞。
劉步蟾站在「北京號」上，發現海面上有幾簇黑煙，知道俄國艦隊出現，便充分發揮中國的軍艦航速快、火力猛的優勢，呈單縱陣，佔領俄國艦隊前進方向的有利位置，指揮「科學號」、「共和號」、「定遠」號三艘軍艦的主炮對準「尼古拉二世」號，集中火力猛烈炮擊，剎時間，三艘鐵甲巨艦百炮一齊怒放，硝煙瀰漫，海水沸騰了，翻起白色的浪花，海鷗都嚇得振翅高飛！
鄧世昌乘坐在「民主號」上，迂迴到「尼古拉二世」號的側翼，攥緊拳頭用力一揮，發出命令：「開火！開火！」，一炮擊中「尼古拉二世」號的甲板，只聽「砰」的一聲驚天巨響，軍艦的甲板四號炮塔中彈，火焰引發炸藥，發生大爆炸，船軸傾斜，冒起白煙，船體開始起火。史塔克公爵命令「尼古拉二世」號全速前進，朝「民主號」撞去，鄧世昌命令「民主」號發射魚雷，數十枚魚雷齊發，「尼古拉二世」號的速度太慢，只有十二點五節左右，離「民主」號還有二三海里，就觸了魚雷沉沒了，史塔克公爵以身殉了沙皇。
失去指揮艦的俄國艦隊，就像無頭的蒼蠅，倉皇應戰，雙方在薄霧迷漫之中進行了一場混戰。中國的軍艦的幾百門大口徑火炮，幾乎同步發出自己的怒吼，「轟轟」不同口徑的炮彈，在發射藥包的作用力下，呼嘯著飛出炮膛，在高空中划出一道道精美地弧線，落在了俄國的軍艦上。俄艦被擊沉十艘，自沉六艘，被俘虜三艘，傷亡三千多人，而中國艦隊只損壞了兩艘魚雷艦，傷十人。
失去了艦隊守護的海參崴港口，迅速被中國陸軍佔領。段祺瑞命令徐樹錚、蔡鍔的坦克部隊先行登陸，王士珍帶領兩萬新軍進攻海參崴上的俄軍。
與此同時，二十歲的蔣百里從中國士官學校中脫穎而出，被段祺瑞任命為一返回飛艇隊的隊長，組織轟炸海參崴的俄軍駐地任務。轟炸俄軍的前一天，蔣百里有條不紊安排後勤部隊做好裝運炸彈，每一艘裝滿了500公斤燃燒彈和炸彈，兩挺輕機槍，備1000發子彈，檢修飛艇等準備工作。
第二天凌晨，20艘載重量大小不一的飛艇編隊，都爬上去20個官兵，啟動發動機，預熱，蔣百里也登上指揮飛艇「東方」號，放鬆纜繩升空，編成一字長蛇陣，在晨霧中緩緩飛向海參崴的俄軍營地。因為飛艇上有加精密的陀螺儀導向，不怕在迷霧中迷失航向。
這支部隊雖然沒有經歷過戰火的打熬，但這是中國的「空軍」第一次執行任務，所以蔣百里和士兵們都很興奮。這次大轟炸，是段祺瑞指揮的總參謀部根據空中地上的偵察部隊提供的氣候條件、儲備物資的建築物和駐軍數量等狀況擬定的，萬無一失，當時的東北風，幫了中國人的大忙，二十艘裝滿了炸彈的飛艇，以每小時平均40公里左右的速度，在1500米左右高度的空中飛行。
中午十二點鐘，蔣百里指揮的飛艇部隊飛臨海參崴城上空，開始了精彩的高空轟炸表演！這時候駐紮在海參崴的俄軍，正在埋頭吃中午飯，駐紮在軍營中的沙俄一個軍的多數人還在屋裡就餐，或者三五成群的在操場上閑晃消食，根本沒想到這些飛艇是來轟炸他們的。
蔣百里的飛艇飛到俄軍的指揮所上空，穩定住飛艇的飛行狀態後，讓擲彈手估測了距離，拉動擲彈機扳手，懸掛在飛艇身下的四枚炸彈，脫離飛艇，依著慣性向前水平飛行一段距離，一頭紮下去，從屋頂直貫而入，「嘭」的一聲巨響，濃煙滾滾，房子燃燒了起來，火光衝天！
蔣百里興奮喊：「擊中了！」「兄弟們，開始投彈！」
二十艘中國的飛艇開始持續轟炸俄國的軍營，當時俄軍軍營主要是木製營房，被集中轟炸，木樑瓦片亂飛，松木燃燒著，不少俄軍都被倒塌的木屋壓在下面，慘烈呼叫，「我的上帝呀！」
俄軍軍營頓時飛沙走石，血肉四濺，指揮部里一片呼天搶地的慘嚎聲響起。來不及防備的俄軍根本反應不過來，就被炸死炸傷