Вскоре к востоку от русской эскадры показались главные силы противника во главе с флагманским броненосцем «Миказа». Преимущество было целиком на стороне японцев, но исход боя должен был решить поединок главных сил, где силы противников были почти равны.
Первым в 12.20 открыл огонь по «Цесаревичу» японский броненосный крейсер «Ниссин», через несколько минут ему ответил «Пересвет». Так начался бой, который вошел в историю, как бой в Желтом море, начался.
Первое время, довольно удачно уклоняясь от маневров японского флота, Витгефт упорно держал курс в Корейский пролив. Наши корабли успешно стреляли, поражая противника. В ответ им тоже же доставалось. Так головной «Цесаревич» получил попадания шести крупнокалиберных снарядов, но, ни один из них не пробил брони. Получил некоторые повреждение и «Ретвизан».
В конце концов, контр-адмирал Витгефт блестяще переиграл Того в маневре, обеспечив своей эскадре, наивыгоднейшие условия стрельбы и открытый путь во Владивосток. Японские броненосцы несли тяжелые повреждения. Но, выйдя из боя и уклонившись вправо, адмирал Того затем поспешил вдогонку уходившей русской эскадре, постепенно ее нагоняя.
К этому времени контр-адмирал Витгефт, убедившись, что концевой броненосец «Полтава» не в состоянии держать установленный 15-узловый ход и что от противника ему не уйти, осознал, что вскоре предстоит новый бой. Собрав на мостике флагманского «Цесаревича» свой штаб, Витгефт поставил перед ним вопрос о возможных вариантах действий эскадры в сложившихся условиях. Большинство офицеров отмолчалось. Тогда слово взял лейтенант Кетлинский. Его предложение было вполне разумным и грамотным. Учитывая выгодное расположение артиллерии на русских броненосцах, позволявшее вести сильный кормовой огонь, и то, что противник находился в роли догоняющего, Кетлинский предложил принять бой на отходе в строю фронта, переведя противника за корму, для чего эскадре надлежало выполнить два поворота на восемь румбов – первый вправо «последовательно» и второй – влево «все вдруг». При этом русская эскадра получала значительное превосходство в артиллерии, которого она была лишена, ведя бой на параллельных курсах. Как знать, прими тогда Витгефт предложение Кетлинского, и судьба эскадры, а вместе с ней и судьба всей русско-японской войны могла сложиться совершенно иначе. Но выслушав своего флагманского артиллериста, Витгефт его предложение отклонил. Командующий желал иного – затянуть начало нового боя до близкой уже темноты, а ночью уже окончательно оторваться от японцев. О том, кто из двоих прав – контр-адмирал или лейтенант, историки спорят до сегодняшнего дня.
Далее события развивались следующим образом. Адмирал Того настиг нашу эскадру к 16 часам, сблизившись с концевой «Полтавой». Около 17 часов "Цесаревич" попал под плотный огонь, получая одно за другим попадания крупнокалиберных снарядов. Адмирал Витгефт, желая сбить пристрелку противника, увеличил ход и отвернул вправо. В это время, видя, что японцы вот-вот накроют броненосец, Кетлинский предложил Витгефту перейти в боевую рубку или хотя бы на верхний мостик, куда меньше залетали осколки. Сославшись на то, что в боевой рубке и без него тесно, Витгефт отказался, заявив, что ему «все равно, где помирать».
Примерно, через 5-10 минут после того, как японцы пристрелялись к «Цесаревичу», взрыв 305-мм снаряда, попавшего в фок-мачту, буквально смел с мостика штаб командующего эскадрой. Тело самого контр-адмирала Витгефта было практически уничтожено взрывом. Осколками снаряда и кусками мачты были убиты: флагманский штурман лейтенант Азарьев, флаг-офицер мичман Эллис, три матроса, ранены флаг-офицеры лейтенант Кедров, мичман Кушинников. По роковой случайности был ранен и начальник штаба контр-адмирал Матусевич, к которому должно было перейти командование. В момент взрыва он спускался с верхнего мостика с докладом командующему.
Внутренний рейд Порт-Артура
Получив сообщение о гибели командующего и ранении начальника штаба, командир «Цесаревич» капитан I ранга Иванов решил «вести бой дальше сам и во избежание могущего быть расстройства» не сообщать эскадре о гибели адмирала.
Но капитан 1 ранга Иванов не мог, разумеется, заменить командующего, и единственное, что ему оставалось делать – следовать прежним курсом.
Японцы, тем временем, продолжали нагонять нашу эскадру, неся при этом от нашего огня так же большие потери. Так, когда очередной наш снаряд поразил «Миказу», адмирал Того лишь чудом остался жив. Не меньшие потери несли и наши.