15点30分，集结在港口西北大约一万码距离上的联军支援舰队开始行动，以战舰“龙威”为首，主力舰只编为单纵队，向后依次为战舰“凤翔”、“镇远”、“定远”，装甲巡洋舰“磐手”、“高砂”，以及全部12艘轻巡洋舰。左右各布置了8艘驱逐舰以为掩护。

因为编队内老式战舰“镇远”、“定远”的拖累，编队最大航速只能达到13节，但若是巡洋舰单独编队，则可以达到21节的最大编队航速。“3点钟方向发现敌舰活动，数量3艘，速度20节以上，航向270度（正西）。”

听到这报告时，严复早已从望远镜中发现了全力逃跑中的俄舰，他身旁的东乡中将脱口而出：“沙闷来烧屎吗？”翻译立即在严复身边解释道：“他们来找死吗？”“我也是这么想的。”严复笑吟吟地说道，叫来传令兵。

旗舰“龙威”号的主桅上随即先后升起一系列信号旗：“巡洋舰战队脱离编队”、“巡洋舰战队追击敌舰”、“战舰战队跟随旗舰运动”……

装甲巡洋舰“磐手”号迅速转向，带领着其姊妹舰“高砂”号，以及中国轻巡第2战队的“大刀”、“陌刀”、“长刀”、“马刀”号防护巡洋舰，日本轻巡第1战队的“朝日”、“春日”、“日清”、“日进”号轻巡洋舰，日本轻巡第2战队的“鸟羽”、“妙高”、“利根”、“最上”号轻巡洋舰，共14艘巡洋舰，似饿狼扑食般向3艘俄国巡洋舰追杀而去。

严复中将亲率4艘战舰和16艘驱逐舰继续向港口接近，不一时，俄国岸炮开火了，水柱纷起，云雾洗洗，曾经在中日战争中功勋卓著的4艘战舰在严复中将的精巧指挥下，曲折运动以避开敌岸炮炮火，同时各舰的参谋官一刻不停地观察岸上敌炮位置，并一一记录于图纸上。

15点50分，“龙威”首先以其前炮塔上的2门305毫米/24倍径炮向5500码外的敌岸炮阵地开火，随后“凤翔”、“镇远”、“定远”依次开火，“镇远”、“定远”因2座双联装甲主炮塔在舰首左右布置，故能发挥全部4门305毫米/24倍径主炮的火力。350公斤的爆破弹在敌阵地上炸出一朵朵绚烂的火球，一团团黑烟拔地而起，卷动着、消散着——这黑烟却是中国战舰上炮手们校射的根据。

俄国岸炮更加卖力地怒吼起来，十余门254毫米以上的重炮此起彼伏地发射，中国战舰蹒跚着穿行于水柱之间，十几艘单薄的驱逐舰不敢接近，都在千码以外远远追随。“鸡藜太亲了，这娘下鸡胃中瘫地，逆洗优栓脱粒吧……”

东乡如此建议道，严复点头表示同意。“没错，我也是这么想的……”然后严复把耳朵凑到翻译嘴边。“他说，距离太近了，这样下去会中弹的，右转脱离吧……”“好了，就是这样，没错，传令兵！”

16点左右，“龙威”舰转到270度（正西）的航向上，将两座双联305毫米主炮转到左舷，在4000到6000码的距离上朝敌岸炮阵地猛烈开火，其余各舰也跟随着完成转向，继续轰击，只是“镇远”和“定远”此时只能发挥一半的主炮火力。炮战中，敌岸炮阵地上忽然发出一阵惊天动地的巨响，带着火花和杂物的烟柱窜上数十公尺高空……事后查明，当时俄军放置在露天准备发射的一堆大口径炮弹被击中爆炸，造成一门254毫米重炮损毁，这门炮的全部炮手无一生还。

20分钟的轰击后，“龙威”舰转到300度（西北偏西）的航向上，带领各舰退出战斗。战斗中，中国战舰无一中弹，官兵无一伤亡，只是“凤翔”号上少数水兵被近失弹激起的巨大浪花浇成了落汤鸡。

严复中将的回忆录写道：“……这次战斗我军毫发无损，官兵士气大增……也许击毁了一个弹药库，打坏了一到两门炮，但更重要的是，我们记下了敌人所有重炮的确切位置……我估计到追击逃脱俄舰的战斗也许会有困难，于是我派出了田雨后少校的驱逐第2战队去支援瓜生少将的巡洋舰部队……”

根据俄国方面的记录，9月9日函馆战斗中，俄军岸炮向中国战舰发射了一百五十六发大口径炮弹，击伤一到二艘中国战舰，己方损失为：1门254毫米大炮和1门152毫米大炮损毁，2门火炮损伤，官兵阵亡27名，伤39名。

再说3艘企图突围的俄国巡洋舰，在鲁德涅夫上校率领下，“瓦良格”、“巴扬”和“俄罗斯”都开足了马力，以22节的编队航速向西疾驶，在它们北面9000码外，14艘联军巡洋舰取45度角压向俄舰航线，企图切断俄舰的航路。

然而联军巡洋舰的编队航速只能达到21节，采取斜行路线的话根本无法追上俄舰，到16时20分，联军巡洋舰编队已经处于与俄舰编队平行的航向上，双方距离扩大到12000码，眼看俄舰越去越远，将要企图得逞。

坐镇战舰“磐手”号的瓜生海军少将下令：“第1战队脱离编队，追击并拦截敌舰！”

接到命令后，四艘最高航速达二十六节的快速巡洋舰“朝日”、“春日”、“日清”、“日进”脱离了瓜生少将的编队，急追俄舰，50分钟后，终于迫近到距俄舰不到4000码的火炮有效射程内，双方几乎同时开火，俄舰不停作曲线运动以规避炮火，造成了航速下降。

17时20分，中国驱逐第2战队的8艘960吨驱逐舰“胧月”、“云月”、“丽月”、“寒月”、“珍月”、“酒月”、“日月”、“暮月”在田雨后少校的率领下以三十节的最高航速赶到战场，一边用120毫米速射炮（每舰3门）向俄舰开火，一边机动逼近，发起鱼雷攻击。

17时30分左右，田雨后少校的旗舰“胧月”号接近已经燃起大火的“俄罗斯”号，接连发射了四条鱼雷，“俄罗斯”号上发出两声巨响后迅速下沉，一下子就消失在所有人视线中。

“瓦良格”和“巴扬”还在顽强抵抗，“瓦良格”号上的炮手先是以一阵准确的齐射打断了日本巡洋舰“朝日”号的桅杆，接着又击毁了“春日”号的舰桥和后炮塔。“巴扬”号向逼近的中国驱逐舰猛烈开火，重创“寒月”，击伤“酒月”和“暮月”，并使得其余中国驱逐舰无法抵进发起鱼雷攻击。

炮弹也不断落在俄舰身上，“瓦良格”号上层甲板的许多水兵被榴弹炸伤，舰长鲁德涅夫上校头部受伤，却还穿着血迹斑斑的制服，光着头，登上指挥台向水兵高喊：“弟兄们，瞄准敌人狠狠打！我们都要活着回去！”

与4艘日本轻巡洋舰及8艘中国驱逐舰的缠斗严重影响了俄舰的速度，瓜生少将的2艘装甲巡洋舰、4艘防护巡洋舰和另外4艘轻巡洋舰于18时左右终于追上了俄国编队，装甲巡洋舰“磐手”、“高砂”立即以其203毫米主炮猛烈轰击俄舰，4艘中国防护巡洋舰“大刀”、“陌刀”、“长刀”、“马刀”随即以其210毫米主炮加入了战斗。

俄舰已回天无望。很快，“瓦良格”号上所有大炮均被击毁，舰长指挥台和操舵室均化为了一堆燃烧的废铁，海水从两舷的累累弹孔涌入舱内，军舰的速度越来越慢，甲板也离水面越来越近，当“瓦良格”终于失去动力时，它的上层甲板已经完全浸没在了水中。

18时20分左右，“瓦良格”号沉没，舰长鲁德涅夫上校以下398名官兵阵亡，其余175名舰员被中日军舰救起。数分钟后，燃烧得“如同一座海上阿房宫”的“巴扬”号被田雨后少校的旗舰“胧月”号以一条鱼雷送入了海底。

田雨后在回忆录中写道：“……那天，我们在3小时内杀死和俘虏了一千名俄国海军官兵，损失是极轻微的，只有23人阵亡，76人受伤，其中中国人不到三分之一，那不算什么，因为我们的数量实在多得可耻……但胜利永远是胜利，胜利者是不该被指责的。看到燃烧得如同一座海上阿房宫的俄国巡洋舰巴扬号，我觉得我们有理由在返回休整的时候喝个烂醉，然后再去找躲在海参崴的俄国主力舰队算帐——那笔帐要算到太平洋上不再有半艘以上的俄舰为止……”