С прибытием в Порт-Артур адмирала С. О. Макарова боевая деятельность эскадры Тихого океана активизировалась, а после его гибели – резко пошла на убыль.

25 июля (7 августа) 1904 года В. К. Витгефт получил категорический приказ Е. И. Алексеева прорываться во Владивосток. Пребывание эскадры в Порт-Артуре стало невозможным из-за того, что противник, установив на господствующих высотах 120-мм корабельные орудия, приступил к постоянным обстрелам береговых сооружений и кораблей, стоявших во внутренних бассейнах.

28 июля (10 августа) 1904 года с наступлением утреннего прилива корабли 1-й эскадры Тихого океана стали вытягиваться на внешний рейд. В 8:15 по сигналу флагмана они построились в кильватерную колонну и за тралящим караваном вышли в море.

За флагманским «Цесаревичем» следовали 5 броненосцев, 4 крейсера и 8 больших миноносцев-истребителей. Параллельным курсом шло госпитальное судно.

Из-за повреждений, которые не удалось устранить до выхода эскадры, в Порт-Артуре были оставлены броненосный крейсер и минный транспорт, а также 4 канонерские лодки и 11 миноносцев, которые не могли дойти до Владивостока без пополнения запасов топлива и воды.

Один миноносец с донесениями В. К. Витгефта главнокомандующему адмиралу Е. И. Алексееву был направлен в китайский порт Чифу

Около 10:30 эскадра построилась в походный порядок. Часом позже впереди по курсу были обнаружены главные силы японского Объединенного флота: 4 эскадренных броненосца, 4 броненосных крейсера, 3 бронепалубных крейсера 1 класса, 5 крейсеров 2 класса, устаревший броненосец, 3 корабля береговой обороны и 49 миноносцев Превосходство в силах было на стороне противника. Русские имели преимущество только в орудиях крупного калибра (от 254 до 305 мм).

В первом дневном бою, продолжавшемся около двух часов, повреждения получили 3 из 8 японских броненосных кораблей и 4 русских броненосца, но лишь один из них пострадал относительно серьезно. Около 14:30 японский флагман приказал прекратить огонь, и эскадра противника отошла. Около 16:45 сражение возобновилось. Русские добились около 20 попаданий по флагманскому броненосцу «Микаса». На нем было убито и ранено 125 человек. Опасной для него была пробоина в подводной части корпуса, и только тихая погода (волнение моря не превышало одного балла) помогла его команде справиться с поступлением воды. Другие броненосные корабли противника попадали под огонь случайно и не получили повреждений, повлиявших на их боеспособность. Во втором дневном бою повреждения разной тяжести получили 5 из 6 русских броненосцев, однако до конца боя у них еще действовали 17 из 23 орудий крупного калибра, а моральное состояние личного состава оставалось высоким.

В 17:30 снарядом, попавшим в «Цесаревич», был убит В. К. Витгефт. Командир броненосца решил идти прежним курсом, сохраняя место в голове русской эскадры, однако другой 305-мм снаряд поразил боевую рубку корабля. Командир броненосца и находившиеся в ней офицеры были ранены. Корабль потерял способность к управлению и вышел из строя. Боевой порядок русской эскадры нарушился. Чтобы не дать противнику использовать этот момент, командир броненосца «Ретвизана» капитан 1-го ранга Э. Н. Щенснович направил свой корабль на вражеские корабли, намереваясь протаранить один из них. Сблизившись с противником на короткую дистанцию, он оказался под огнем всех японских броненосных кораблей и получил новые повреждения. Увидев, что эскадра за ним не пошла, Э. Н. Щенснович, раненный осколком вражеского снаряда, повернул обратно. К этому времени в командование вступил младший флагман, контр-адмирал П. П. Ухтомский. Его сигнал «Следовать за мной», поднятый на поручнях мостика броненосца «Пересвет», не был разобран, из-за чего в дальнейшем большинство русских командиров действовало исходя из собственного представления о сложившейся обстановке.

Ночью корабли русской эскадры атаковали вражеские миноносцы. В бою с ними новых повреждений русские не получили, но, уклоняясь от атак, рассеялись. Утром 29 июля (11 августа) П. П. Ухтомский обнаружил, что в кильватер его флагманскому кораблю идут только 2 броненосца, а рядом держится лишь один миноносец. Ввиду неясности обстановки и тяжести полученных повреждений, Ухтомский принял решение о возвращении в Порт-Артур. Самостоятельно вернулись в Порт-Артур 2 броненосца, крейсер, 2 миноносца и госпитальное судно. Командиры броненосца «Цесаревич», 3 крейсеров и 5 миноносцев для исправления повреждений и пополнения запасов топлива угля решили идти в нейтральные порты. По приказанию из Петербурга все эти корабли, кроме крейсера «Новик», разоружились и как боевые единицы были потеряны до конца войны. Один миноносец был взорван экипажем во избежание захвата врагом, еще один захвачен противником.

Командир крейсера «Новик», продолжившего прорыв, прямо во Владивосток проследовать не решился. Не обнаруженный противником, он дошел до Корсаковского поста на острове Сахалин, где задержался для пополнения запасов топлива. Получив от капитана английского парохода сообщение о местонахождении русского корабля, японский вице-адмирал Х. Камимура направил против него 2 крейсера, в бою с которыми «Новик» получил тяжелые повреждения, после чего во избежание захвата врагом был затоплен экипажем.

Итоги сражения в Желтом море были в пользу противника. Русские, не достигнув своей цели, потеряли крейсер и 2 миноносца. Разоружившись в нейтральных портах, выбыли из строя эскадренный броненосец, 2 крейсера и 3 миноносца. Корабли, возвратившиеся в Порт-Артур, имели многочисленные боевые повреждения. Для восстановления их боеспособности в кратчайшие сроки не хватало ни производственных мощностей, ни материальных ресурсов, ни квалифицированного персонала.