上午11點，聯合艦隊在距離敵艦隊8500米的位置將航路轉向西，搶占 “T”字橫頭。
俄國早己在岸邊的暸望台上發現了聯合艦隊的行蹤，首先是五艘巡洋艦巴揚號、阿斯科爾德號、狄愛娜號、諾維克號、包亞林號迎戰。
俄國軍艦在8000米的距離上率先開炮，可惜5艘巡洋艦中，最大口徑的火炮是巴揚號上的兩門200毫米主炮，阿斯科爾德號、狄愛娜號的主炮是1 5 2毫米，諾維克號、包亞林號的主炮甚致隻有125毫米，結果因為射程不夠，炮彈紛紛落在水中，在日本艦隊前麵濺起了無數的水柱。
這時聯合艦隊的旗艦三笠號判斷敵艦距離在7000米左右，東鄉平八郎命令右舷152毫米口徑以上的大炮全部開火，緊接著，戰列艦朝日號、富士號、八島號、初瀨號、敷島號也都紛紛朝接近的俄艦開火，海麵上頓時炮聲轟隆，硝煙彌漫，水柱林立，頓時壓倒了俄艦的火力。巴揚號、狄愛娜號都先後中彈，幸好都不是被日本軍艦的主炮擊中。
不過有這5艘巡洋艦為遠東艦隊爭取到了時間，俄國剩餘的5艘戰列艦彼得巴甫洛夫斯克號、塞瓦斯托波尓號、波斯塔瓦號、佩列斯維特號、勝利號排列成縱隊趕到戰場，和聯合艦隊展開了對射，而聯合艦隊第二戰隊的5艘裝甲巡洋艦也開火助戰，一時間硝煙滾滾、巨炮轟鳴，爆炸之聲不絕於耳。
聯合艦隊的三笠號首先取得戰果，擊中彼得巴甫洛夫斯克號的艦首部，緊接著俄艦波爾塔瓦號、勝利號也先後中彈，有些炮彈甚至打到了岸上，嚇得岸上的民眾四散逃奔。
俄艦諾維克號突然離開陣列，衝向聯合艦隊，在近距離連續擊中多艘日艦，不過諾維克號的主炮太小，因此對日艦的傷損有限，日艦八雲號集中火力炮擊諾維克號，後主炮的一發2 0 0毫米炮彈擊中諾維克號中部，重創了諾維克號。
而俄艦阿斯科爾德號又單獨向聯合艦隊的第三戰隊撲來，被第三戰隊的千歲號、高砂號集中火力擊退。
但這時俄國岸上炮台上的火炮也都開火射擊，給俄艦以有利的支持，因此遠東艦隊漸漸的占據了上風，日艦紛紛中彈，旗艦三笠號中彈3發，其中一發擊中大檣附近，造成7名幕僚受傷，檣上的軍旗都被擊落，雖然三笠號立刻升起了備用旗幟，但很快又被炮彈洞穿，；富士號中彈2發，炮術長以下傷亡12人；敷島號中彈1發，航海長以下17人受傷；初瀨號中彈2發，航海長以下傷亡16人；裝甲巡洋艦吾妻號、八雲號、磐手號也都陸續中彈。
東鄉平八郎見勢不妙，趕忙下令撤退，在退出了戰場之後，集合軍艦之後，東鄉平八郎下令，艦隊退到朝鮮半島的牙山灣重新整編，再做打算，觀戰的青州號也向聯合艦隊告別，返回青島。
而俄艦見聯合艦隊撤退，紛紛歡呼起來，而總督阿列謝克耶夫也以擊敗日本艦隊為由，宣布俄國勝利，不過卻命令所有軍艦都退進旅順內港駐泊，置於在岸炮的保護之下，不得出港作戰。
日俄戰爭的第一戰，旅順口海戰就這樣結束，雙方都沒有軍艦被擊沉；俄國遠東艦隊共發射炮彈2303發（含要塞炮彈），命中11發，命中率0.48%，陣亡18人，負傷61人；日本聯合艦隊發射炮彈1223發，命中38發，命中率3.11%，陣亡3人，負傷60人。
雖然日本並沒有達到殲滅或重創俄國遠東艦隊的目地，但也算是迫使俄國艦隊退守不出，因此也算是暫時取得了製海權，因此不能算是全無收獲的。
而東鄉平八郎將艦隊拉回到朝鮮半島的牙山灣修整，是因為他已收到消息，瓜生艦隊己經擊沉了仁川的兩艘俄國軍艦，登陸的日軍占領了漢城，控製了韓國皇室。
原來在就在日本艦隊偷襲旅順的時候，日本陸軍在仁川港己完成登陸，向漢城進攻。而瓜生外吉少將向瓦良格號艦長魯德涅夫上校發出了戰書： 9日中午以前必須駛出仁川港向日軍投降，如不出港將被就地擊沉，屆時仁川港和在場其他各國軍艦如遭到損失，一切後果由俄國負責。
雖然英法意三國艦長經過商量，認為在中立港口內交戰違反國際法，聯名向瓜生外吉提出了抗議，但也要求俄艦釆處行動，要麼出港，要麼投降，不要留在港中連累其他軍艦。而魯德涅夫上校和英法意三國艦長商量，能請三國軍艦陪同俄艦前往中立國駐泊。但遭三國艦長一致拒絕，而魯德涅夫又不甘未戰先降，因此毅然選擇出港作戰。
上午11點30分，瓦良格號、高麗人號拔錨出港，英法意軍艦上的官兵被俄國水兵的勇毛所感動，意大利軍艦奏起了俄國國歌，英法水兵則跑到甲板上脫帽相送，美國軍艦上甚至掛出了“祝好運”的信號旗。