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.
