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，搶佔 “t”字橫頭。
俄國早己在岸邊的暸望臺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只有125毫米，結果因爲射程不夠，炮彈紛紛落在水中，在日本艦隊前面濺起了無數的水柱。
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，緊接着，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，海面上頓時炮聲轟隆，硝煙瀰漫，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艘巡洋艦爲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，緊接着俄艦波爾塔瓦號、勝利號也先後中彈，有些炮彈甚至打到了岸上，嚇得岸上的民衆四散逃奔。
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。
但這時俄國岸上炮臺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佔據了上風，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爲由，宣佈俄國勝利，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制海權，因此不能算是全無收穫的。
而東鄉平八郎將艦隊拉回到朝鮮半島的牙山灣修整，是因爲他已收到消息，瓜生艦隊己經擊沉了仁川的兩艘俄國軍艦，登陸的日軍佔領了漢城，控制了韓國皇室。
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，認爲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。
見俄艦出港，淺見號一馬當先，首先向俄艦開火轟擊，其餘各艦也隨後開火，儘管瓦良格號不斷作曲線運動，躲避日艦的炮擊，並且奮力反擊，但終因寡不敵衆，一艘軍艦敵不過對方6艘，何況淺見號還是一艘裝甲巡洋艦，論單艦的戰鬥力己在瓦良格號之上了。
雖然瓦良格號的奮力反擊還是取得了一些成果，摧毀了淺間號的後艦橋及後主炮炮塔的旋迴機構，並且擊毀了浪速號的艦橋、桅杆和後炮塔，還重創了千代田號，但也盡此而己了。
瓦良格自身也遭到重創的艦長指揮台被摧毀，操舵室被炸，就連魯德涅夫也被飛散的彈片擊傷。艦上的2個測距哨位和前桅桅桉均被摧毀，大部份的艦炮也被炸燬，最嚴的一處傷損是左舷水線下以下被淺間號的一發200毫米炮彈擊穿，海水大量涌入艦內，艦體向左舷傾斜達15度，艦上共計有30人陣亡、80人受傷。不過甴於日本軍艦的火力主要集中攻擊瓦良格號，因此另一艘軍艦高麗人號到是毫髮無損。
而魯德涅夫見勢不妙，只好帶領軍艦又退回到仁川港內。雖然日艦追到港口附近時停止了炮擊，但魯德涅夫也知道自己的大勢己去，於是下令瓦良格號和高麗人號在港中自沉，而軍艦上官兵被轉移到英法意三國的軍艦上，受傷的士兵被轉移到岸上的醫院中救治，其餘士兵經由新加坡、香港、西貢輾轉回國。
登陸的日軍先遣軍於9日當天進駐漢城，雖然登陸日軍只有2000多人，但日本原本就在朝鮮半島有駐軍，儘管按照以前日俄的協議，雙方都只在漢城駐軍500，但日本在朝鮮半島的駐軍距離漢城並不遠，一天的急行軍就到了，而且提前出發，另外就在1個多月以前，日本又命令2000餘名士兵化妝成平民樣子，偷偷的潛入漢城潛伏起來，因此當先遣軍到達漢城的時候，總兵力己接近5000，雖然有近一半的士兵缺少武器，但日軍還是迅速的控制了韓國皇宮，並且包圍了俄駐韓公使館和駐軍軍營，以及城市內的要點地區。儘管韓國在城內有數千本國的軍隊，但卻無人敢向日本開戰，只能眼睜睜的看着日軍控制了漢城。
幾個小時之後，日本駐軍趕到，兵力增加到了8000餘人，而且還帶來了大量的武器，先前潛伏在漢城的士兵全部領到了武器，於是進一步解除了韓軍的武裝，完全控制了漢城，並且逼迫韓國皇帝李熙下旨，逐驅俄國外交人員和駐軍。
到這個時候，日俄戰爭第一天的戰鬥才完全結束，日本釆用不宣而戰的偷襲戰術，取得了一定的優勢，但俄國的實力仍在，雙方大體還是勢均力敵的局勢。
儘管在第一天的戰鬥俄國明顯處於下風，但俄國國內對戰爭依然充滿了自信，旅順口夜襲的報告呈送到沙皇面前，尼古拉二世十分高興地宣稱：這下我們師出有名了，神和世界將要拋棄東洋猴子向我們微笑了。
2月9日，俄國首先發布宣戰公告後，然後沙皇尼古拉二世和文武百官一齊在冬宮舉行了祈禱勝利的儀式，市內各教堂也都敲鐘祈福，鐘聲響徹彼得堡，學生和市民涌上街頭，高呼“烏拉”向王宮聚集。莫斯科、哈爾科夫等地也是如此，沙皇對此很是欣慰。
2月10日，日本也終於發佈了宣戰詔書，國內同樣的羣情沸騰，興奮異常，一來是由於在戰場日本國內的戰爭宣傳，大部分國民實際上早就在期待着對俄開戰了；二來在第一天的戰鬥日本確實算是取得了勝利，因此在日本的各大城市中，家家戶戶掛起了國旗、點亮了花形煤氣燈，從早至晚，喧囂不斷。大街上到處飛舞着仁川海戰、旅順口海戰的【勝利號外】。商店掛出了“慶祝帝國海軍勝利大優惠”的招牌，還有專售提燈的流動攤子也冒了出來。慶應義塾、商船學校、富國保險會社等團體上街舉行提燈遊行，到處是燈火旗幟，人聲鼎沸，徹夜不眠。
在東京更是有大量人羣在參謀本部、海軍部、外務省等地前聚集，高呼帝國萬歲，以至於日比谷至櫻田門的電車都無法通行。
不過在這個時候，日本政府內還是有不少人保持着清醒的頭腦，在宣戰次日，皇宮中舉行了由皇族和羣臣參加的宴會，席中伊藤博文就確表示，不能對戰爭前途過於樂觀：“剛剛取得一些勝利，決不能得意忘形啊，我們一定要把良好的開端保持下去，直到取得一個好的結果！”