日軍從陸上包圍旅順並展開圍攻之後，躲在旅順軍港的俄太平洋艦隊越來越感到危險的臨近，10年前大清北洋艦隊在威海衛就是這樣全軍覆沒的。就在遼陽會戰激戰正酣的8月7日，旅順俄太平洋艦隊接到了由遠東總督阿列克謝耶夫轉達的，來自聖彼得堡以沙皇尼古拉二世名義發來的諭旨：「分艦隊迅速突圍，駛往海參崴。」聞此消息，大喜過望的俄太平洋艦隊於是開始計畫組織突圍。
除了隨同馬卡洛夫一起沉沒的「彼得巴甫洛夫斯克」號戰列艦之外，突圍的俄太平洋艦隊還有6艘戰列艦，包括新旗艦「皇太子」號、「列特維贊」號、「佩列斯維特」號、「勝利」號、「波爾塔瓦」號、「塞瓦斯托波爾」號。還有4艘巡洋艦，旅順港內能出動的驅逐艦也有16艘，但要留下一半分擔港口的防務，伴隨主力艦隊出動的只能有8艘。除了這些戰鬥艦艇之外，艦隊里還有一艘不倫不類的醫療船「蒙古」號。8月9日，許多太平洋艦隊軍官的太太小姐已經開始蜂擁登上這艘本該作為醫療船的輔助艦。這些人也絕不會空手，大包小包，細軟一大堆。突圍艦隊由威特赫夫特海軍少將統一指揮。
要知道，在經歷「惡魔一星期」之後，日本聯合艦隊也只剩下4艘戰列艦，以俄太平洋艦隊如此強大的力量，就是直接衝出去和聯合艦隊對掐，都不一定落在下風。
前一天晚上，俄國軍艦鍋爐紛紛點火所產生的濃煙已經被旅順口外一艘日本魚雷艇觀察到，艇長直接向聯合艦隊旗艦「三笠」號做了彙報。覺察到俄艦隊突圍企圖的聯合艦隊主力，馬上提前趕到遼東半島以外的黃海海面封鎖住外主航道。由於之前兩艘主力艦觸雷沉沒，艦隊主力第一戰隊只剩下「三笠」號、「敷島」號、「富士」號、「朝日」號4艘戰列艦以及臨時充實進來的裝甲巡洋艦「春日」號、「日進」號，戰鬥力已大不如前。除第一戰隊外，日本還有8艘防護巡洋艦、18艘驅逐艦、30艘魚雷艇，統一由東鄉平八郎指揮。兩個月前，6月6日，東鄉已經由海軍中將晉陞為海軍大將。
1904年8月10日凌晨1時，旅順西港區內亮起了一盞信號燈，隨後要出港突圍的艦隻上也紛紛亮起了信號燈和照明燈。在旗艦「皇太子」號戰列艦上，俄太平洋艦隊的樂隊奏起了《上帝頌》，6艘戰列艦全都升起了俄羅斯海軍軍旗。在岸上，陸戰隊的軍樂團奏響了俄羅斯國歌，這些屬於海軍的陸戰部隊被命令留在旅順協助陸軍防衛要塞。碼頭上除了軍人，還有很多工人前來觀看艦隊出航的壯觀場景。岸上不知是誰高呼了一聲「光榮的海軍萬歲」，立即招來一片雷鳴般的歡呼聲。這些人當然不知道，這樣一支強大的艦隊，出港的任務不是「光榮」地作戰，而是「屈辱」地逃跑。
早上4時30分，幾艘掃雷艇率先駛出港外進行掃雷，隨後出港的是「諾維克」「黛安娜」「帕拉達」「阿斯科利德」等幾艘巡洋艦，開出港口的巡洋艦立即展開了戰鬥隊形，以防止隨時可能出現的敵艦。巡洋艦之後，驅逐艦也相繼出港，最後出動的才是那六個大傢伙——威風凜凜的戰列艦隊。他們離開的地方叫「旅順」，但是後來的事實表明，他們隨後的「旅途」一點都不順。
中午12時09分，東鄉的主力第一戰隊遠遠發現了從西面開來的俄國艦隊。6分鐘後，也就是12時15分，正在吃午餐的俄國人也發現了日本艦隊。此時俄艦隊航向幾乎正東，航速13節。日艦隊航向西南，航速16節。雙方均呈單列縱隊相距18500米，日艦隊在俄艦隊東北約30度位置。東鄉的企圖是，從前方橫越俄國艦隊佔領「T」字陣位，以集中火力攻擊俄旗艦，迫其失去指揮而退回旅順。
當俄艦隊發現本身處於不利位置後，立即採取了迴避交戰的方針，試圖機動突圍。12時10分，俄艦隊向左轉，以約70度航向朝北與日艦隊相對航行，此時雙方艦隊相距14000米，均未進入有效射程。
12時30分，東鄉發現如保持目前的航向，日艦隊將到達俄艦隊南側，失去與俄艦隊直接接觸的機會，遂立即下令向左大迴轉，取與俄艦隊幾乎平行的航向。10分鐘後，日艦隊為保持與俄國艦隊的接觸再次向右做大迴轉，恢複與俄艦隊相反航向260度。日艦隊完成兩次迴轉後，雙方距離拉近到8300米。
13時左右，雙方開始交火。稍後俄艦隊轉向至正東略偏北，突破日艦的封鎖與日艦隊脫離了炮火接觸。此前的交戰因為距離較遠雙方火炮的命中率都不高，也都未受到大的損傷。東鄉想搶佔俄艦隊的「T」字陣，但威特赫夫特適當的左轉彎使得日艦失去了機會，俄國艦隊成功突破了日艦隊的包圍向東南方向快速逃逸。
到這時候，東鄉平八郎才明白過來，俄國艦隊不是來決戰而是準備逃跑的。雙方距離已經拉大到28000米以上，憑藉微弱的航速優勢，日艦隊根本無法在天黑之前追上敵人。東鄉心裡殲滅敵人的希望正漸漸遠去，但心有不甘的他依然下令開足馬力全力追趕。
正當東鄉感到絕望的時候，16時30分，奇蹟出現。早已從視野里消失的俄艦隊，居然又出現在海平線上。東鄉的運氣真好，原來正在全速前進的俄太平洋艦隊突然出現了問題。三天前，俄戰列艦「列特維贊」號在旅順港內被日本艦炮擊中過吃水線以下部分，只是臨時採取一點補修措施就跟出來搏命。在這節骨眼上，「列特維贊」號的修補處突然發生漏水，速度一下子降了下來。可悲的是，愚蠢的維威特赫夫特竟然為了等待這一艘軍艦，讓艦隊所有艦隻都降低速度，等待「列特維贊」號進行緊急搶修。
其實早在出動以前，就有人提議將所有艦隻按速度分為兩部分，速度低的分隊先出動吸引日軍注意力，高速分隊就可以趁機溜走。如果真是逃命的話，這樣「丟車保帥」也不失為一種恰當的策略，但威特赫夫特沒有採納這樣的合理化建議，他的理由是沙皇命令他「將每一艘軍艦都帶回海參崴」。
還好「列特維贊」號的漏洞很快堵住，但當俄艦隊準備繼續加速逃跑時，聯合艦隊已經追上來了。上帝給你機會你沒有抓住，剩下的只能是厄運。
雙方開始在8000米到9000米的距離上進行炮戰。俄艦隊的集中打擊，使得日旗艦「三笠」號嚴重受創，艦長受傷。17時40分，意外再次出現，日艦一發305毫米炮彈命中了俄旗艦「皇太子」號的艦橋，猛烈的爆炸不僅摧毀了信號台，連艦隊司令威特赫夫特少將和身邊的幾名軍官也都在一瞬間不復存在。更糟糕的是，「皇太子」號因操舵裝置被毀，向右無控制偏轉闖入自己的編隊，導致整個艦隊陣形大亂。
東鄉平八郎的艦隊立即從東北面包抄過來，借著俄國艦隊隊形混亂之際，在5000米近距離猛烈開火。像當年的丁汝昌一樣，威特赫夫特事先也沒有指定代理人，俄艦隊就此失去統一指揮，在日艦的猛烈攻擊下開始潰散。傍晚時，東鄉認為俄艦隊會繼續逃向海參崴，遂命令驅逐艦和魚雷艇準備夜襲。出乎預料的是，大多數俄艦都選擇了向南逃回旅順口，畢竟去海參崴路途遙遠。
最後的結果是，戰列艦「佩列斯維特」號、「勝利」號、「列特維贊」號、「塞瓦斯托波爾」號、「波爾塔瓦」號以及巡洋艦「帕拉達」號成功逃回了旅順港。旗艦「皇太子」號以及三艘驅逐艦逃往青島，被德國人解除武裝後扣留，在戰爭其餘時間裡作為俘虜無所事事。
隨巡洋艦「阿斯科利德」號出征的巡洋艦分隊指揮官雷岑斯坦因少將在出發前就發誓說，「不論死活，我都不願意看見旅順這個臭水窪了」。他踐行了自己的諾言，「阿斯科利德」號帶著一艘驅逐艦逃進上海港後同樣被解除了武裝。
最勇敢的是巡洋艦「諾維克」號，它先是跑到青島補充了燃料，然後於12日出港，向庫頁島方向駛去。在遭到兩艘日巡洋艦的攔截攻擊後，在庫頁島南端觸礁擱淺。最能跑的是巡洋艦「黛安娜」號，此艦一路狂奔，竟然跑到了越南的西貢。
俄艦隊在海戰中損失了包括艦隊司令在內的343人，日方傷亡226人。由於俄艦隊的火力集中射擊日旗艦「三笠」號，該艦嚴重受傷，艦上官兵死32人，傷78人，幾乎所有的火炮都被打啞。
這就是史稱的「黃海海戰」。儘管海戰中俄國人沒有損失一艘軍艦，但他們徹底喪失了繼續戰鬥下去的信心和勇氣。大部分退回旅順的俄艦再也沒有嘗試過突圍，戰艦的火炮被拆下來，安裝在陸地上作為固定炮台，水兵則被編進陸軍守備部隊，和當年的北洋水師一樣進入等死狀態。
就這樣人家也比北洋水師強，人家畢竟嘗試了一次突圍。北洋艦隊進入威海衛軍港之後就沒再出來過。也不完全對，殘餘艦隻再出來時已經由黃龍旗變成了太陽旗。
黃海海戰失利之後，尼古拉二世仍然對俄國最終取勝堅信不疑。他對母親說，上帝會保佑俄國人打贏這場戰爭。瑪利亞皇太后一貫喜歡的是幼子米哈伊爾，當初尼古拉二世即位時她就拉長了寡婦臉不樂意。她刻薄