Вступив в командование броненосцем, капитан 2 ранга Шумов приказал передать сигнал: «Адмирал передает командование старшему флагману, князю Ухтомскому». В это время броненосец уже повернул примерно на 100° влево. Другие корабли эскадры обгоняли «Цесаревича», в панике отступая к Порт-Артуру. «Цесаревич» плохо держался на курсе и быстро отстал от остальных броненосцев. Японские броненосцы, находившиеся к востоку от «Цесаревича», снова открыли по нему огонь. С носа и с левого борта флагманский русский броненосец обстреливали крейсеры противника. Из-за наступившей темноты огонь японцев становился менее точным и, несмотря на большое количество падающих вокруг «Цесаревича» снарядов, противник добился только двух прямых попаданий 6" снарядов, взорвавшихся на юте.
Тем временем стемнело, и на «Цесаревиче» стали готовиться к отражению возможных торпедных атак, отражать которые при поврежденных рулевых приводах и управлении машинами было очень сложно. Темнота сгущалась, и «Цесаревич», отставая от эскадры, стал терять ее из вида. Капитан 2 ранга Шумов решил воспользоваться темнотой и, повернув на юг, идти, согласно приказу, во Владивосток. Около двадцати часов «Цесаревич», тяжело развернувшись, повернул на юг. На северо-западе от него слышалась частая стрельба и мелкой артиллерии: это корабли эскадры, возвращавшиеся в Порт-Артур, отбивали атаки японских миноносцев. Все компасы на «Цесаревиче» были разбиты или повреждены. Курс прокладывался примерно по Полярной звезде. Броненосец был полностью затемнен, чтобы избежать атак японских миноносцев. Однако, миноносцы обнаружили «Цесаревича» и произвели на него в течение ночи пять атак. Первые три атаки были отбиты артиллерийским огнем, а двух других удалось избежать, давая полный ход и подставляя миноносцам корму. Одна торпеда, выпущенная в «Цесаревича» японским миноносцем в упор (с расстояния около кабельтова), по какой-то причине сразу повернула влево и прошла параллельно борту броненосца в трех саженях от него.
Временами находивший туман хотя и мешал управлению броненосцем, однако, эффективно скрывал его от миноносцев противника. Около двадцати двух часов командир «Цесаревича» капитан 1 ранга Иванов, слегка оправившись от ран, приказал вынести себя наверх, в боевую рубку. По пути командир выслушал доклад старшего механика, доложившего о многочисленных неисправностях в машине и огромном перерасходе угля, вызванного падением тяги из-за разбитых дымовых труб. Выйдя на мостик, командир броненосца отменил приказ капитана 2 ранга Шумова идти во Владивосток и приказал взять курс на китайский порт Циндао (Киа-Чао), находившийся тогда под контролем Германии. «Цесаревич» продолжал идти примерно на юг, держа Полярную звезду за кормой, поскольку капитан 1 ранга Иванов полагал, что этот курс выведет корабль на вид Шантунгского полуострова, где можно будет приблизительно определить свое место. Тем временем удалось исправить привод руля в боевую рубку и наладить один из путевых компасов. За час до рассвета в темноте по курсу обрисовались силуэты нескольких кораблей, шедших малым ходом примерно одним курсом с «Цесаревичем». Командир приказал уклониться от этих кораблей, чему способствовал внезапно нашедший низовой туман. На рассвете открылся огонь южного Шантунгского маяка. Капитан 1 ранга Иванов, не зная своего места и не рискуя приблизиться к берегу, приказал повернуть на восток, приведя Полярную звезду на левый траверз. Этим курсом «Цесаревич» шел, пока совсем не рассвело, когда открылись берега Шантунгского полуострова. Затем корабль повернул на юг, идя вдоль восточного берега полуострова. Между тем, на «Цесаревиче» выясняли полученные в бою повреждения. Оказалось, что фок-мачта броненосца держится только мостиками и в случае падения угрожает их вывернуть. Мостики же, будучи скрепленными с дымовой трубой и крышей боевой рубки, в этом случае могут увлечь за собой трубу и крышу рубки. Мачта могла упасть на трубы и повредить котлы. Средствами корабля укрепить мачту было невозможно — заведенные тали лопались от размахов мачты. Кочегары броненосца выбивались из сил и с трудом держали пар. Смены им не было, так как почти вся кочегарная смена была отравлена пороховыми газами. За сутки плавания было израсходовано шестьсот тонн угля. Из-за отсутствия тяги, расход угля все увеличивался и до Владивостока его бы не хватило.
Утром 29 июня пришел в сознание начальник штаба эскадры, контр-адмирал Матусевич. Командир «Цесаревича» доложил ему, что направляется в Циндао, чтобы исправить там, насколько возможно, трубы, снять перебитую фок-мачту и, пополнив запас угля, идти во Владивосток. Начальник штаба согласился с этим решением, и «Цесаревич», определив девиацию налаженного путевого компаса, взял курс на Циндао. 29 июля в 10.00 со всеми воинскими почестями были похоронены в море останки контр-адмирала Витгефта, лейтенантов Азарьева и Драгичевича-Никшича, мичмана Эллиса и восьми матросов.