在一切準備就緒之後，劉冠雄只留下兩艘新潛艇和“金元”號裝甲炮艦用來守衛旅順口，帶走了包括水上飛機母艦“漫遊者”號和南洋、廣東來的兩艘裝甲巡洋艦在內的所有水面艦艇，準備給予俄國海軍狠狠一擊。
這支由一艘老式鐵甲艦、九艘巡洋艦和兩艘魚雷艇組成的北洋艦隊“護岸艦隊”殺氣騰騰直奔佐世保而來，在外海巡航的俄國老式裝甲巡洋艦“米寧”號（排水量6234噸，主炮口徑203毫米）發現了前來進攻的中國艦隊，立刻掉頭就跑，但因爲速度太慢，結果不久就被北洋諸艦追上“圍毆”，“米寧”號邊打邊逃，跑到佐世保港外時已經完全喪失了作戰能力，如果不是這艘裝甲巡洋艦“皮糙肉厚”，弄不好就成爲了被中國海軍打沉的第二艘巡洋艦了。
聽到炮聲，在港內支援陸軍作戰的俄國大型巡洋艦“留裡克”號和“阿斯科爾德”號立刻衝出港外，救援已經被打成生活不能自理的“米寧”號，雙方隨即展開了激烈的炮戰，在戰鬥一開始，北洋艦隊的老式鐵甲艦“漫遊者”號就把三架水上飛機全都放飛了出去，立馬橫刀向俄艦撲來，開動全艦炮火向俄艦猛射，在“漫遊者”號的掩護下，北洋“護岸艦隊”的其它速度較快的巡洋艦以單縱陣猛撲上來，以一舷齊射的火力向兩艘俄國大型巡洋艦猛烈開火，俄國艦隊則以“留裡克”號在前，“阿斯科爾德”號在後，結成姊妹艦迎戰，雙方戰艦往來奔馳。在佐世保港外大戰，俄國人的這兩艘大型巡洋艦雖然盔堅甲厚，火力強大，但畢竟是以二敵九，在北洋“護岸艦隊”七艘快速巡洋艦和兩艘裝甲巡洋艦的圍攻下中彈多處，一度燃起了大火，但俄國水兵竟然絲毫不懼，一邊作戰一邊救火，愣是死戰不退，讓在附近觀戰的英國海軍將士讚佩不已。
雙方交戰多時。北洋艦隊防護性稍差的“追日”號巡洋艦被“留裡克”號接連擊中後起火，被迫退出戰鬥滅火自救，“留裡克”號上地官兵見到“追日”號起火退走，全都禁不住歡呼起來。“留裡克”號總算給俄羅斯帝國海軍挽回了一些面子。
可沒等俄國水兵高興多久，他們就遇到了意想不到的麻煩。
那就是，天上的三架中國水上飛機。
在戰鬥一開始，爲了不影響艦隊的火力發揮。這三架飛機就離開了自己的母艦，在天上觀戰，並時不時的發信號報告俄艦的方位，但不久，這些飛機上的飛行員們就發現，俄國的“留裡克”號巡洋艦兇猛的炮火給大多是快速巡洋艦地北洋艦隊造成了很大的威脅，“追日”號巡洋艦的起火退出戰鬥更證實了飛行員們的擔心，但他們地飛機目前缺少進攻性武器，尤其是在這種激烈的海戰當中更是無法發揮作用。飛行員們不甘心在天上“袖手旁觀”，以他們獨特的方式加入了戰鬥當中，結果打響了中國人的第一次海空協同作戰！
當然了，也是世界戰爭史上地第一次海空協同作戰。
在海戰的關鍵時刻，三架中國水上飛機加入了戰團！
據“追日”號巡洋艦管帶黃鳴球說，“三飛機先後輪番向俄艦俯衝。以小炸彈向俄艦擲擊，雖中者寥寥，然俄兵大駭，其炮多不能取準，火力由是大減，則我艦之炮可以從容奮擊，故三飛機功莫大焉。”
三架飛機在“留裡克”號周圍不斷地來回俯衝干擾，並時不時的丟下一兩顆手榴彈，雖然給“留裡克”號造成不了多大的傷害。但卻嚴重的干擾了俄艦的開炮射擊。據飛行員們講的，“一枚手榴彈落在了敵艦炮罩裡。引爆了旁邊的彈藥，引起了一連串的爆炸，波及到了其它地炮位”，“留裡克”號因此火力大減，結果兩艘俄艦在北洋“護岸艦隊”的圍攻下中彈過多，終於無法堅持下去，只好退進了港口，藉助海岸炮兵的掩護纔沒有被擊毀。
在雙方激烈炮戰地時候。遭受重創地“米寧”號趁機拼死逃進港內。好歹總算躲過一劫。逃脫了被擊沉地命運。
北洋“護岸艦隊”取得了這次“海空協同作戰”地勝利。
由於俄艦地炮火十分兇猛。雙方又是處於近距離交戰地態勢。除防護性能較好地“漫遊者”號鐵甲艦外受傷較輕外。其餘北洋各艦也多有損傷。而在佐世保地俄國艦隊經此一役。雖然沒有艦艇被擊沉。但各艦受損十分嚴重。剩下地四艘小型巡洋艦和各種輔助船隻因此躲在港內。龜匿不出。面對這種情況。劉冠雄果斷地決定用魚雷艇進行偷襲。
接下來地時間裡。北洋艦隊地兩艘魚雷艇“飛翔”號和“飛電”號藉着煙幕地掩護偷入佐世保港內。用新式魚雷向港內地俄艦一通狂射。結果俄國大型運輸補給艦“克萊姆爾”號中雷發生爆炸。瞬間傾覆。“阿斯科爾德”號地艦體被魚雷炸開一個大洞。被迫搶灘擱淺。“留裡克”號在躲避魚雷攻擊時不慎觸礁擱淺。成了“固定炮臺”！
鑑於已經給了俄國艦隊以重創。爲了防止俄國艦隊主力從海參崴增援。劉冠雄及時率領“護岸艦隊”撤出了戰鬥。在“漫遊者”號收回水上飛機後勝利返航。
這場被稱爲“佐世保外海之戰”地海戰。又以中國海軍地勝利而告終。
在這場中國人的第一次海空協同作戰中，中國人自己研製的水上飛機首次參戰，使飛機這種新兵器在海戰中嶄露頭角，這場海戰的詳情很快傳遍了世界，雖然孫綱自己知道這場海戰的意義和對未來海戰方式產生的深遠影響，但在現在，甚至包括現在世界上許多海戰專家在內，並沒有幾個人能夠真正認識到這一點。
這幫外國人注意的，則是另一方面。
因爲這一次，外國的好多評論家對北洋“護岸艦隊”這次的表現頗有微詞，相反的，對俄國水兵的表現則大加褒揚，讓這次海戰的指揮者劉冠雄鬱悶不已。
“海權論”的作者馬漢“大神”就說，“這次海戰是中國和日本的那場大東溝海戰的重現，在這次海戰中，中國人充當了自己原來對手的角色，而俄國人反過來扮演了原來中國人的角色，中國人以九艘巡洋艦圍攻俄國兩艘大型巡洋艦，然而卻未能將俄艦完全消滅。考慮一下戰鬥結果，可以說，這次海戰尚處於勝負未決之間。總之，總計一萬七千噸的裝甲艦兩艘，完全可以對抗半裝甲艦五艘以上。這幾次海戰的事實證明，少數大型軍艦，可以勝於具有同等或以上噸位的多數小艦。而且在一個號令下統一的兵力，比把指揮權分散爲若干的兵力爲強，這是適合戰鬥原則的。這個結論並不是從狹隘的意義上妄加推斷，而是多少加以考慮即可辨明的。我寧可要一萬噸的一艘，而不要六千噸的兩艘。我們的先人曾以七十四門炮的軍艦一艘，戰勝富里蓋特型軍艦兩艘，從道理上講都是一樣的。”
“中國的海軍指揮官用快速巡洋艦組成的艦隊空襲防守堅固的海港，雖然取得了一定的戰績，但是對俄國人的傷害並不是很大，相反，在擁有優勢的中國人面前，俄國人的表現非常出色，不但成功的吸引住了中國人的注意力，爲受到重傷的友艦提供了逃跑的機會，而且在海戰中給所有的中艦都造成了損傷。而對中國人來說，以全部軍艦圍攻兩艘俄艦，而讓本已經受重傷的米寧號巡洋艦逃脫是不可饒恕的錯誤，喪失了本來唾手可得的勝利，對比中國人後來取得的戰果，這一點就表現的更爲明顯了”
“最後，我想就大炮裝甲的優劣再做一下說明。戰鬥中中艦的大口徑速射炮沒有能夠穿透俄艦的裝甲，這不僅加強了認爲裝甲艦纔是海軍兵力的中堅的論者的論點，而且足以促使苦心焦慮研究大炮、裝甲間優劣問題的人們的注意。然而回顧一下其結果如何，則正如我等多數人公平預測的那樣，當大炮在試驗場進行射擊試驗時，經常是成績優異的。但裝甲則證明在實戰中，遠比在試驗場有更大的抵抗力，即裝甲在此次海戰中，更加啓發人們瞭解到它從來未被世人所知道的真正價值。”