華東政府和日本在外交、政治、情報等幾條戰線上進行着明爭暗鬥的時候，日俄之間的戰爭卻依然還在繼續，而且戰爭的規模越來越大，也越來越殘酷。
太平洋艦隊突圍失敗，最終只有9艘艦艇逃回旅順港，包括5艘戰列艦列特維贊號、波爾塔瓦號、塞瓦斯托波爾號、佩列斯維特號、勝利號，裝甲巡洋艦巴揚號，以及3艘驅逐艦。日本聯合艦隊沒有艦艇被擊沉，但僅僅只擊沉幾艘驅逐艦。
不過在太平洋艦隊突圍失敗之後，殘存在旅順港內的俄國軍艦儘管還有5艘戰列艦、1艘裝甲巡洋艦，但由於缺少輔助軍艦，而且維修能力也不足，實際己經失去了和聯合艦隊抗衡的能力，因此儘管聯合艦隊沒能達到殲滅太平洋艦隊的目地，但也確實讓太平洋艦隊基本失去了作戰能力。而且逃回旅順港的俄國艦隊也徹底喪失了
但這並不能保證日本就能完全掌控制海權，因爲還有海參崴分艦隊。現在對日本威脅最大的己不是太平洋艦隊，而是海參崴分艦隊。
於是在海戰結束的第二天，東鄉平八郎收到了國內的通知，這才知道華東政府的艦隊只是攔截從戰場逃脫的俄國軍艦，並沒有其他的意圖，東鄉平八郎也鬆了一口氣，立刻下令第4戰隊趕回日本，協助第2戰隊捕海參崴分艦隊。因爲東鄉平八郎考慮到，太平洋艦隊從旅順港突圍，落腳點只有是海參崴了，而海參崴分艦隊很可能南下接應，因此這可是打掉這支分艦隊的大好機會，派遣第3戰隊趕回日本，就是增加留守艦隊的實力，力爭一舉殲滅這支對日本的海上交通線造成巨大威助的小艦隊。
東鄉平八郎這次果然沒有料錯，原來在太平洋艦隊突圍之前，於8月9日向海參崴分艦隊發電，向他們通告艦隊突圍的計劃，要求海參崴分艦隊出擊，在朝鮮海峽接應。但旅順和海參崴之間並沒有電報直接聯繫，需要從奉天轉發，但奉天的電報線路出現故障，結果一直拖到了8月11日，海參崴分艦隊才收到了從奉天轉過來的電報，而這時太平洋艦隊的突圍己經失敗了。
但由於通訊不暢，海參崴分艦隊無法知道太平洋艦隊的結果，只能按照命令準備出海，8月12日早上六點，伊森少將指揮裝甲巡洋艦格羅姆鮑伊號、留裡克號，防護巡洋艦勇士號出航，
8月14日凌晨1點左右，伊森率領的艦隊到達朝鮮半島東南的蔚山海域，被在這一帶海域遊弋的第4戰隊的浪速號發現，浪速號立刻向第2戰艦報告，
第2戰隊的司令上村彥之丞立刻帶領艦隊趕去，於凌晨5點左右趕到了現場，與海參崴分艦隊相遇，立刻展開了一場激戰。
日艦在數量、火力、航速等方面均佔據較大的優勢，參戰的4艘軍艦均在9700噸左右，總噸位接近4萬噸，主要的武器共計有16門203毫米火炮，52門152毫米火炮，裝甲均是用的克虜伯裝甲，航速爲20.5節，而且都是在1898年以後服役，；而俄艦的兩艘裝甲巡洋艦到不落下風，排水量均在12000噸左右，各自備了4門203毫米火炮，16門152毫米火炮，但艦齡較老，格羅姆鮑伊號是1896年服役，而留裡克號是1892年服役，裝甲是用的較舊的哈維鎳鋼裝甲，航速在20節以下，而勇士號只是一艘防護巡洋艦，6600噸，主炮只有12門152毫米火炮，嚴重的拖了俄艦的後腿。
戰鬥一開始，日本艦隊就以出雲號、吾妻號夾擊留裡克號；由磐手號對抗格羅姆鮑伊號；常磐號則重點攻擊勇士號。由於雙方均爲巡洋艦，速度較快，因此距離迅速的拉近，炮戰進行得十分激烈，連各艦上的小口徑火炮也都全部參戰。
激戰了均30分鐘以後，受兩艘日艦夾擊的留裡克號受創最重，共計中彈20發，其中受創最重的是一發203毫米炮彈命中左舷，炮彈穿透了裝甲鑽進留裡克號的一號鍋爐艙爆炸，使留裡克號瞬間喪失了四分之一的動力，航速下降到不足15節，還有一發152毫米炮彈擊中尾舵，造成了留裡克號的轉向裝置毀壞，而其他的炮彈讓留裡克號的上層建築受損嚴重，甲板上多外都燃起了大火。不過在留裡克號的頑強反擊下，出雲號也中彈7發，3門152毫米火炮，1門75毫米火炮，被擊毀；吾妻號中彈5發，後主炮的彈藥升揚機損壞。
勇士號也中彈達15發，12門主炮被擊毀9門，甲板上建築幾乎全被打爛，不過幸運的是動力未損，而且水線帶部份也還算完好，到是比留裡克號的情況好些。雖然勇士號也擊中了常磐號6炮，但對常磐號的損傷並不大。
只有磐手號在和格羅姆鮑伊號的對決中處於下風，被格羅姆鮑伊號擊中1 2炮，2門主炮，6門152毫米炮被毀，分隊長原口鶴次大尉以下38人被打死，炮術長、*長、分隊長以下37人受傷；而格羅姆鮑伊號也被擊中10炮，後艦橋被擊毀，側舷被擊穿4處，艦上多處起火，但動力未損，戰鬥力仍在。
而就在這時，聯合艦隊的第4戰隊的5艘軍艦也趕到了戰場，雖然這5艘軍艦分別爲4艘防護巡洋艦、1艘通訊艦，論單艦戰鬥力，均在勇士號之下，但在這個時候，卻成爲壓倒駱駝的最後一根稻草。伊森少將十分清楚，一但這5艘軍艦參戰，自己就真有全軍覆沒的危險了，因此立刻下令撤退。
但這時留裡克號的航速只有13節，而且輪舵被打壞，無法轉向，只能在海面上轉圈，因此艦長特洛索夫上校向格羅姆鮑伊號打出“我己無法隨行”的旗號，而伊森少將見了，只得下令放棄留裡克號，只有兩艘軍艦撤退。
上村彥之丞下令，讓第4戰隊的浪速號、高千穗號、對馬號圍攻留裡克號，自己帶領剩下的軍艦繼續追擊俄艦，
雙方一邊追逐，一邊互相開炮射擊，追出大約20公里左右時，格羅姆鮑伊號的尾炮擊中出號，造成了13人死亡，25人受傷，而且這時出雲號的203毫米炮彈只剩四分之一，152毫米炮彈更是隻剩5發，全艦的官兵們也處於極度疲勞之中，第2戰隊的其他幾艘軍艦的情況也差不多，畢竟爲了捕捉海參崴分艦隊，第2戰隊已連續執行了近1個月的海上任務，確實都疲憊不堪了，於是上村彥之丞決定中止追擊。
其實這時格羅姆鮑伊號、勇士號也己到了強弩之末，兩艦都遭受了重創，共陣亡140人、負傷319人，吃水線附近分別中彈數發，已經浸水，伊森少將己經下令勇士號，在艦上佈置自爆裝置了，如果日艦繼續追擊的話，擊沉兩艦是有很大的機率，至少可以擊沉一艘。
而在另一面，留裡克號被了艘日艦圍攻，雖然續中彈，艦長茨爾索福斯上校、大副弗洛圖夫斯基中校等五名軍官陣亡，但始終沒有被擊沉，而且還在航海長伊萬諾夫上尉的指揮下，盡力搶修機舵，希望還能突圍離去，但見到追擊的日艦轉回，伊萬諾夫上尉也知道大勢己去，因此下令打開通海閥，讓軍艦自沉，其餘的官兵均跳海逃生。
10點40分，留裡克號沉沒，蔚山海戰結束。不過日本軍艦到是並未撤離，而是在戰場上搶救落水的俄國官兵，應該說這個時代的日本軍人還算是比較正常，最終留裡克號全艦官兵有625人獲救，其餘224人陣亡。而在這場海上的戰役中，日本共陣亡45人，受傷81人。
雖然這一戰日本艦隊在佔有絕對優勢的情況下，僅僅只擊沉了一艘俄艦，但這也是開戰以來，日本艦隊在海戰中正式擊沉的第一艘俄國主力軍艦，戰列艦彼德巴甫洛夫斯克號是觸雷沉沒，不算是在海戰中擊沉。但從戰術上來說，這一戰並不算是完全成功的。
但海參崴分艦隊的另兩艘俄艦均遭受重創，至少需要大半年維修才能重新作戰，這也表示海參崴分艦隊在一定的時間內，確實無力再威脅日本的海上航線，因此到現在爲此，也可以說經過了數次反覆的拉據作戰之後，俄國在遠東的海軍力量大部分確實被日本擊破，在未來相當一段時間內，日本完全掌握了東海至日本海的制海權。陸軍也可以毫無顧忌的向俄軍發動進攻了。
其實日本陸軍早就開始調兵遣將，準備分從南北兩線，發動大規模的地面進攻，南線由乃木希典大將指揮第3軍，進攻旅順，北線由大山岩大將指揮第1、2、4軍，進攻遼陽，這兩戰也可以說決定的戰鬥，一但取勝，那怕是隻取勝一場，將使日本在戰略上佔據主動地位，取得日俄戰爭的勝利也是指日可待了，而如果這兩線作戰都不順利，那麼前期所取得戰略優勢也將都蕩然無存了。
因此俄日雙方也都在調兵遣將，新一輪的戰爭即將拉開。至此，海上的戰爭也已告一段落，戰爭的焦點也將轉移到陸地上來，而日俄戰爭也進入一個新的階段。