太平洋舰队突围失败，最终只有9艘舰艇逃回旅顺港，包括5艘战列舰列特维赞号、波尔塔瓦号、塞瓦斯托波尔号、佩列斯维特号、胜利号，装甲巡洋舰巴扬号，以及3艘驱逐舰。日本联合舰队没有舰艇被击沉，但仅仅只击沉几艘驱逐舰。
不过在太平洋舰队突围失败之后，残存在旅顺港内的俄国军舰尽管还有5艘战列舰、1艘装甲巡洋舰，但由于缺少辅助军舰，而且维修能力也不足，实际己经失去了和联合舰队抗衡的能力，因此尽管联合舰队没能达到歼灭太平洋舰队的目地，但也确实让太平洋舰队基本失去了作战能力。而且逃回旅顺港的俄国舰队也彻底丧失了
但这并不能保证日本就能完全掌控制海权，因为还有海参崴分舰队。现在对日本威胁最大的己不是太平洋舰队，而是海参崴分舰队。
于是在海战结束的第二天，东乡平八郎收到了国内的通知，这才知道华东政府的舰队只是拦截从战场逃脱的俄国军舰，并没有其他的意图，东乡平八郎也松了一口气，立刻下令第4战队赶回日本，协助第2战队捕海参崴分舰队。因为东乡平八郎考虑到，太平洋舰队从旅顺港突围，落脚点只有是海参崴了，而海参崴分舰队很可能南下接应，因此这可是打掉这支分舰队的大好机会，派遣第3战队赶回日本，就是增加留守舰队的实力，力争一举歼灭这支对日本的海上交通线造成巨大威助的小舰队。
东乡平八郎这次果然没有料错，原来在太平洋舰队突围之前，于8月9日向海参崴分舰队发电，向他们通告舰队突围的计划，要求海参崴分舰队出击，在朝鲜海峡接应。但旅顺和海参崴之间并没有电报直接联系，需要从奉天转发，但奉天的电报线路出现故障，结果一直拖到了8月11日，海参崴分舰队才收到了从奉天转过来的电报，而这时太平洋舰队的突围己经失败了。
但由于通讯不畅，海参崴分舰队无法知道太平洋舰队的结果，只能按照命令准备出海，8月12日早上六点，伊森少将指挥装甲巡洋舰格罗姆鲍伊号、留里克号，防护巡洋舰勇士号出航，
8月14日凌晨1点左右，伊森率领的舰队到达朝鲜半岛东南的蔚山海域，被在这一带海域游弋的第4战队的浪速号发现，浪速号立刻向第2战舰报告，
第2战队的司令上村彦之丞立刻带领舰队赶去，于凌晨5点左右赶到了现场，与海参崴分舰队相遇，立刻展开了一场激战。
日舰在数量、火力、航速等方面均占据较大的优势，参战的4艘军舰均在9700吨左右，总吨位接近4万吨，主要的武器共计有16门203毫米火炮，52门152毫米火炮，装甲均是用的克虏伯装甲，航速为节，而且都是在1898年以后服役，；而俄舰的两艘装甲巡洋舰到不落下风，排水量均在12000吨左右，各自备了4门203毫米火炮，16门152毫米火炮，但舰龄较老，格罗姆鲍伊号是1896年服役，而留里克号是1892年服役，装甲是用的较旧的哈维镍钢装甲，航速在20节以下，而勇士号只是一艘防护巡洋舰，6600吨，主炮只有12门152毫米火炮，严重的拖了俄舰的后腿。
战斗一开始，日本舰队就以出云号、吾妻号夹击留里克号；由磐手号对抗格罗姆鲍伊号；常磐号则重点攻击勇士号。由于双方均为巡洋舰，速度较快，因此距离迅速的拉近，炮战进行得十分激烈，连各舰上的小口径火炮也都全部参战。
激战了均30分钟以后，受两艘日舰夹击的留里克号受创最重，共计中弹20发，其中受创最重的是一发203毫米炮弹命中左舷，炮弹穿透了装甲钻进留里克号的一号锅炉舱爆炸，使留里克号瞬间丧失了四分之一的动力，航速下降到不足15节，还有一发152毫米炮弹击中尾舵，造成了留里克号的转向装置毁坏，而其他的炮弹让留里克号的上层建筑受损严重，甲板上多外都燃起了大火。不过在留里克号的顽强反击下，出云号也中弹7发，3门152毫米火炮，1门75毫米火炮，被击毁；吾妻号中弹5发，后主炮的弹药升扬机损坏。
勇士号也中弹达15发，12门主炮被击毁9门，甲板上建筑几乎全被打烂，不过幸运的是动力未损，而且水线带部份也还算完好，到是比留里克号的情况好些。虽然勇士号也击中了常磐号6炮，但对常磐号的损伤并不大。
只有磐手号在和格罗姆鲍伊号的对决中处于下风，被格罗姆鲍伊号击中12炮，2门主炮，6门152毫米炮被毁，分队长原口鹤次大尉以下38人被打死，炮术长、*长、分队长以下37人受伤；而格罗姆鲍伊号也被击中10炮，后舰桥被击毁，侧舷被击穿4处，舰上多处起火，但动力未损，战斗力仍在。
而就在这时，联合舰队的第4战队的5艘军舰也赶到了战场，虽然这5艘军舰分别为4艘防护巡洋舰、1艘通讯舰，论单舰战斗力，均在勇士号之下，但在这个时候，却成为压倒骆驼的最后一根稻草。伊森少将十分清楚，一但这5艘军舰参战，自己就真有全军覆没的危险了，因此立刻下令撤退。
但这时留里克号的航速只有13节，而且轮舵被打坏，无法转向，只能在海面上转圈，因此舰长特洛索夫上校向格罗姆鲍伊号打出“我己无法随行”的旗号，而伊森少将见了，只得下令放弃留里克号，只有两艘军舰撤退。
上村彦之丞下令，让第4战队的浪速号、高千穗号、对马号围攻留里克号，自己带领剩下的军舰继续追击俄舰，
双方一边追逐，一边互相开炮射击，追出大约20公里左右时，格罗姆鲍伊号的尾炮击中出号，造成了13人死亡，25人受伤，而且这时出云号的203毫米炮弹只剩四分之一，152毫米炮弹更是只剩5发，全舰的官兵们也处于极度疲劳之中，第2战队的其他几艘军舰的情况也差不多，毕竟为了捕捉海参崴分舰队，第2战队已连续执行了近1个月的海上任务，确实都疲惫不堪了，于是上村彦之丞决定中止追击。
其实这时格罗姆鲍伊号、勇士号也己到了强弩之末，两舰都遭受了重创，共阵亡140人、负伤319人，吃水线附近分别中弹数发，已经浸水，伊森少将己经下令勇士号，在舰上布置自爆装置了，如果日舰继续追击的话，击沉两舰是有很大的机率，至少可以击沉一艘。
而在另一面，留里克号被了艘日舰围攻，虽然续中弹，舰长茨尔索福斯上校、大副弗洛图夫斯基中校等五名军官阵亡，但始终没有被击沉，而且还在航海长伊万诺夫上尉的指挥下，尽力抢修机舵，希望还能突围离去，但见到追击的日舰转回，伊万诺夫上尉也知道大势己去，因此下令打开通海阀，让军舰自沉，其余的官兵均跳海逃生。
10点40分，留里克号沉没，蔚山海战结束。不过日本军舰到是并未撤离，而是在战场上抢救落水的俄国官兵，应该说这个时代的日本军人还算是比较正常，最终留里克号全舰官兵有625人获救，其余224人阵亡。而在这场海上的战役中，日本共阵亡45人，受伤81人。
虽然这一战日本舰队在占有绝对优势的情况下，仅仅只击沉了一艘俄舰，但这也是开战以来，日本舰队在海战中正式击沉的第一艘俄国主力军舰，战列舰彼德巴甫洛夫斯克号是触雷沉没，不算是在海战中击沉。但从战术上来说，这一战并不算是完全成功的。
但海参崴分舰队的另两艘俄舰均遭受重创，至少需要大半年维修才能重新作战，这也表示海参崴分舰队在一定的时间内，确实无力再威胁日本的海上航线，因此到现在为此，也可以说经过了数次反复的拉据作战之后，俄国在远东的海军力量大部分确实被日本击破，在未来相当一段时间内，日本完全掌握了东海至日本海的制海权。陆军也可以毫无顾忌的向俄军发动进攻了。
其实日本陆军早就开始调兵遣将，准备分从南北两线，发动大规模的地面进攻，南线由乃木希典大将指挥第3军，进攻旅顺，北线由大山岩大将指挥第1、2、4军，进攻辽阳，这两战也可以说决定的战斗，一但取胜，那怕是只取胜一场，将使日本在战略上占据主动地位，取得日俄战争的胜利也是指日可待了，而如果这两线作战都不顺利，那么前期所取得战略优势也将都荡然无存了。
因此俄日双方也都在调兵遣将，新一轮的战争即将拉开。至此，海上的战争也已告一段落，战争的焦点也将转移到陆地上来，而日俄战争也进入一个新的阶段。
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