经过紧张的准备，北上舰队于十月三十日早晨起锚。按照事先确定的方案，由两艘侦查巡洋舰作为先导，在主力舰队前方约二十公里侦查前行。“江苏”号、“广东”号连同四艘750型驱逐舰随后跟进。
　　当舰队于当天下午五时左右航行至青岛以南约八十海里时，刘冠雄、谢葆璋正在旗舰“江苏”号的舰桥内，侦查巡洋舰忽然用无线电发来报告，称遇见日本由六艘主力舰及十余艘驱逐舰组成的舰队正向南疾驰。刘冠雄立刻意识到日本舰队来者不善。谢葆璋疑惑道：“德国的主力舰队早就撤离青岛了，日本这样兴师动众是冲着谁呢？”“当然是冲着我们啦！”刘冠雄说道。
　　“可是我们是中立国，日本也没有对我们宣战啊！”谢葆璋更加疑虑道。
　　“日本向来都是善于搞偷袭的，甲午是这样，日俄战争也是这样！”刘冠雄轻蔑地说道。随即他下令各舰立刻进入一级战备状态，同时命令巡洋舰队跟在日本舰队后方，监视其行动。
　　急促的警铃在各舰响起，水兵们急速在军舰各通道穿行，奔向自己的战位。
　　日本舰队方面，土屋金光也看到了中国的两艘侦查巡洋舰，但为了达成对中方主力舰队打击的突然性，他并没有理会这两艘巡洋舰。双方主力舰队就这样一南一北相对而行，迅速接近。当双方舰队接近至六海里时，日本第一战队旗舰“河内”号向左转向90度，随后各舰依次转向，横在了中方舰队的前方；看到日方这一明显的战术攻击动作，谢葆璋建议趁日方转向的时机，抢先开炮。刘冠雄认为日方还未开炮，我方不能先开第一炮。随即也下令舰队右转90度，同时下令全体瞄准日舰，随时准备开火。中方两艘主力舰的各型火炮开始调整炮口，转向日舰，尤其是二十门十四英寸巨型主炮，高大的炮管整齐划一地直指敌舰，更显壁垒森严、气势夺人。炮塔内水兵们紧张而有条不紊地忙碌着，各种口令声此起彼伏，各种机械运转也发出铿锵有力的声音，炮弹被推入炮膛。
　　随着日舰首先开炮，中方也立即还以颜色，黄海海面顿时硝烟四起，炮声隆隆。双方炮弹落入水中都激起数十米高的冲天水柱。日方射出的炮弹显得更多，但是从落点看其散布区更大；而中方主炮齐射后落点更加集中。
　　此时，日方第二战队在“金刚”号带领下，快速插向中方舰队的左前方。
　　谢葆璋一面观察一面说道：“日本这次摆出的阵型和甲午那次很相似啊！”
　　刘冠雄点头说道：“没错，一个本队和一个快速舰队，他们是想逼迫我们往南转向。看我们怎么破他这个阵！”同时命令把速度提高至26节，并集火打击“河内”号。
　　在“河内”号的指挥塔内，丁田驹次郎大佐观察着战场的变化，似乎感觉形势正向对己方不利的方向发展。由于中方航速很快，达到26节以上，而日方只有不到18节。双方距离逐渐拉大，后面的“萨摩”号、“安芸”号很多火炮已进入射击死角，无法发挥火力。于是他急切地命令加大射速。
　　经过几轮齐射的修正后，中方火力对“河内”号已形成跨射，有数枚主炮炮弹击中“河内”号。此时也有数发炮弹落在“江苏”、“广东”两舰上，造成了一些小规模燃烧，一些水兵将其奋力扑灭。刘冠雄说道：“日方弹药采用的是与苦味酸相似的下濑火药，纵火燃烧能力强，但是稳定差，容易引发殉爆。而我们采用的是钝感TNT炸药，只要打中他们的要害就够他们受的。”正说着，一发十四英寸巨弹击中“河内”号右舷一号炮塔，并穿透装甲在内部爆炸，随即引发了炮塔下弹药库的连续爆炸，顿时“河内”号成了一座喷发的火山，不但右舷一号炮塔被炸飞，而且船身也被炸开，汹涌的海水奔腾而入，使舰体快速下沉。舰上六百多人中约有半数葬身大海。
　　看到日舰发生大爆炸，中方舰上顿时一片欢腾。由于“河内”号的爆炸，紧跟在后面的“摄津”号为避免相撞，紧急向左转向，而且由于失去了指挥，日方第一战队顿时陷入混乱。刘冠雄抓住时机命令四艘驱逐舰快速向日方进行鱼雷突击。
　　土屋金光大将在“金刚”号的指挥塔内也看到了“河内”号的爆炸，惊得他张大了嘴巴。此时按计划他本应指挥第二战队向南转向，拦在中方舰队前方，抢占丁字头的横阵位。但由于在转向时就无法射击，土屋慑于中方的火力，想拉开一段距离后再向南转。而此时日方第一战队由于“河内”号的爆炸沉没，以及遭到中方鱼雷突击，队形混乱，停滞不前。这样日方的第一和第二战队之间发生了脱节，拉开了一段很大的距离。刘冠雄敏锐地观察到这一情况，立刻果断下令舰队向北转向。土屋看到中方向北，于是也慌忙命令第二战队向北转向。由于第二战队原来的航向是向西偏南方向，所以向北转向就要调整更大的角度，结果绕了一个大弯子。而中方利用这段时间调整好队形，开始抢先向日方进行射击。
　　中方的“江苏”与“广东”号，日方的“金刚”与“比睿”号这四艘超无畏型战舰开始捉对厮杀。中日双方的这两型主力舰各项性能比较接近，只是中方每舰拥有五座双联装主炮，而日方是四座，这样中方每舰比日方多出两门主炮，但是由于日方拥有长期使用大口径主炮的经验，射击的熟练与准确性均胜过中方，因此双方各有优势，旗鼓相当。经过几轮炮战，各舰均有中弹，其中“金刚”号的二号炮塔被一发十四英寸炮弹击穿，炮塔内人员伤亡惨重，更严重的是引发大火，这时炮塔指挥官吉田少佐命令向塔内注水，这才避免了重蹈“河内”号的覆辙。中方也有数门火炮炮管被击中，失去作战能力。这时天色已晚，昏暗的光线下已不适合继续炮战。双方指挥官均下令己方驱逐舰进行鱼雷突袭，由于日方驱逐舰数量较多，中方处于不利地位。正在这时与中方主力舰队汇合的两艘侦查巡洋舰一马当先，率领中方四艘驱逐舰冲向敌方，用密集的火炮射向日方驱逐舰，使其无法靠近目标，只能匆忙放出鱼雷并后撤，由于距离较远鱼雷无一命中。此后双方便脱离了接触。