第2战队的司令上村彦之丞立刻带领舰队赶去，于凌晨5点左右赶到了现场，与海参崴分舰队相遇，立刻展开了一场激战。
日舰在数量、火力、航速等方面均占据较大的优势，参战的4艘军舰均在9700吨左右，总吨位接近4万吨，主要的武器共计有16门203毫米火炮，52门152毫米火炮，装甲均是用的克虏伯装甲，航速为20.5节，而且都是在1898年以后服役，；而俄舰的两艘装甲巡洋舰到不落下风，排水量均在12000吨左右，各自备了4门203毫米火炮，16门152毫米火炮，但舰龄较老，格罗姆鲍伊号是1896年服役，而留里克号是1892年服役，装甲是用的较旧的哈维镍钢装甲，航速在20节以下，而勇士号只是一艘防护巡洋舰，6600吨，主炮只有12门152毫米火炮，严重的拖了俄舰的后腿。
战斗一开始，日本舰队就以出云号、吾妻号夹击留里克号；由磐手号对抗格罗姆鲍伊号；常磐号则重点攻击勇士号。由于双方均为巡洋舰，速度较快，因此距离迅速的拉近，炮战进行得十分激烈，连各舰上的小口径火炮也都全部参战。
激战了均30分钟以后，受两艘日舰夹击的留里克号受创最重，共计中弹20发，其中受创最重的是一发203毫米炮弹命中左舷，炮弹穿透了装甲钻进留里克号的一号锅炉舱爆炸，使留里克号瞬间丧失了四分之一的动力，航速下降到不足15节，还有一发152毫米炮弹击中尾舵，造成了留里克号的转向装置毁坏，而其他的炮弹让留里克号的上层建筑受损严重，甲板上多外都燃起了大火。不过在留里克号的顽强反击下，出云号也中弹7发，3门152毫米火炮，1门75毫米火炮，被击毁；吾妻号中弹5发，后主炮的弹药升扬机损坏。
勇士号也中弹达15发，12门主炮被击毁9门，甲板上建筑几乎全被打烂，不过幸运的是动力未损，而且水线带部份也还算完好，到是比留里克号的情况好些。虽然勇士号也击中了常磐号6炮，但对常磐号的损伤并不大。
只有磐手号在和格罗姆鲍伊号的对决中处于下风，被格罗姆鲍伊号击中12炮，2门主炮，6门152毫米炮被毁，分队长原口鹤次大尉以下38人被打死，炮术长、水雷长、分队长以下37人受伤；而格罗姆鲍伊号也被击中10炮，后舰桥被击毁，侧舷被击穿4处，舰上多处起火，但动力未损，战斗力仍在。
而就在这时，联合舰队的第4战队的5艘军舰也赶到了战场，虽然这5艘军舰分别为4艘防护巡洋舰、1艘通讯舰，论单舰战斗力，均在勇士号之下，但在这个时候，却成为压倒骆驼的最后一根稻草。伊森少将十分清楚，一但这5艘军舰参战，自己就真有全军覆没的危险了，因此立刻下令撤退。
但这时留里克号的航速只有13节，而且轮舵被打坏，无法转向，只能在海面上转圈，因此舰长特洛索夫上校向格罗姆鲍伊号打出“我己无法随行”的旗号，而伊森少将见了，只得下令放弃留里克号，只有两艘军舰撤退。