上午11点，联合舰队在距离敌舰队8500米的位置将航路转向西，抢占“T”字横头。
俄国早己在岸边的暸望台上发现了联合舰队的行踪，首先是五艘巡洋舰巴扬号、阿斯科尔德号、狄爱娜号、诺维克号、包亚林号迎战。
俄国军舰在8000米的距离上率先开炮，可惜5艘巡洋舰中，最大口径的火炮是巴扬号上的两门200毫米主炮，阿斯科尔德号、狄爱娜号的主炮是152毫米，诺维克号、包亚林号的主炮甚致只有125毫米，结果因为射程不够，炮弹纷纷落在水中，在日本舰队前面溅起了无数的水柱。
这时联合舰队的旗舰三笠号判断敌舰距离在7000米左右，东乡平八郎命令右舷152毫米口径以上的大炮全部开火，紧接着，战列舰朝日号、富士号、八岛号、初濑号、敷岛号也都纷纷朝接近的俄舰开火，海面上顿时炮声轰隆，硝烟弥漫，水柱林立，顿时压倒了俄舰的火力。巴扬号、狄爱娜号都先后中弹，幸好都不是被日本军舰的主炮击中。
不过有这5艘巡洋舰为远东舰队争取到了时间，俄国剩余的5艘战列舰彼得巴甫洛夫斯克号、塞瓦斯托波尓号、波斯塔瓦号、佩列斯维特号、胜利号排列成纵队赶到战场，和联合舰队展开了对射，而联合舰队第二战队的5艘装甲巡洋舰也开火助战，一时间硝烟滚滚、巨炮轰鸣，爆炸之声不绝于耳。
联合舰队的三笠号首先取得战果，击中彼得巴甫洛夫斯克号的舰首部，紧接着俄舰波尔塔瓦号、胜利号也先后中弹，有些炮弹甚至打到了岸上，吓得岸上的民众四散逃奔。
俄舰诺维克号突然离开阵列，冲向联合舰队，在近距离连续击中多艘日舰，不过诺維克号的主炮太小，因此对日舰的伤损有限，日舰八云号集中火力炮击诺维克号，后主炮的一发200毫米炮弹击中诺维克号中部，重创了诺维克号。
而俄舰阿斯科尔德号又单独向联合舰队的第三战队扑来，被第三战队的千岁号、高砂号集中火力击退。
但这时俄国岸上炮台上的火炮也都开火射击，给俄舰以有利的支持，因此远东舰队渐渐的占据了上风，日舰纷纷中弹，旗舰三笠号中弹3发，其中一发击中大樯附近，造成7名幕僚受伤，樯上的军旗都被击落，虽然三笠号立刻升起了备用旗帜，但很快又被炮弹洞穿，；富士号中弹2发，炮术长以下伤亡12人；敷岛号中弹1发，航海长以下17人受伤；初濑号中弹2发，航海长以下伤亡16人；装甲巡洋舰吾妻号、八云号、磐手号也都陆续中弹。
东乡平八郎见势不妙，赶忙下令撤退，在退出了战场之后，集合军舰之后，东乡平八郎下令，舰队退到朝鲜半岛的牙山湾重新整编，再做打算，观战的青州号也向联合舰队告别，返回青岛。
而俄舰见联合舰队撤退，纷纷欢呼起来，而总督阿列谢克耶夫也以击败日本舰队为由，宣布俄国胜利，不过却命令所有军舰都退进旅顺內港驻泊，置于在岸炮的保护之下，不得出港作战。
日俄战争的第一战，旅顺口海战就这样结束，双方都没有军舰被击沉；俄国远东舰队共发射炮弹2303发（含要塞炮弹），命中11发，命中率0.48%，阵亡18人，负伤61人；日本联合舰队发射炮弹1223发，命中38发，命中率3.11%，阵亡3人，负伤60人。
虽然日本并没有达到歼灭或重创俄国远东舰队的目地，但也算是迫使俄国舰队退守不出，因此也算是暂时取得了制海权，因此不能算是全无收获的。
而东乡平八郎将舰队拉回到朝鲜半岛的牙山湾修整，是因为他已收到消息，瓜生舰队己经击沉了仁川的两艘俄国军舰，登陆的日军占领了汉城，控制了韩国皇室。
原来在就在日本舰队偷袭旅顺的时候，日本陆军在仁川港己完成登陆，向汉城进攻。而瓜生外吉少将向瓦良格号舰长鲁德涅夫上校发出了战书：9日中午以前必须驶出仁川港向日军投降，如不出港将被就地击沉，届时仁川港和在场其他各国军舰如遭到损失，一切后果由俄国负责。