27 января (9 февраля) капитан «Варяга» Всеволод Фёдорович Руднев получил от Уриу ультиматум: до 12 часов покинуть порт, иначе русские корабли будут атакованы на рейде. Руднев решил прорваться с боем в Порт-Артур, а в случае неудачи взорвать корабли. В полдень «Варяг» и «Кореец» вышли из Чемульпо. Французские и английские корабли встретили гордо идущий «Варяг» оркестром. Капитаны кораблей отдали честь российским морякам. При выходе из порта на расстоянии 10 миль корабли встретили японскую эскадру, занимавшую позицию за островом Йодолми.

Неравный бой длился 50 минут. За это время «Варяг» выпустил по противнику 1105 снарядов, «Кореец» — 52 снаряда (орудия канонерской лодки были слабее и «Кореец» вступил в бой в конце сражения). Согласно рапорту командира «Варяга», огнём крейсера был потоплен один миноносец и повреждены 4 японских крейсера («Асама», «Чиода», «Такачихо» и флагман «Нанива»); противник предположительно потерял около 30 человек убитыми и около 200 человек ранеными; официальные японские источники[7] утверждают, что попаданий в японские корабли не было, потерь и повреждений они не имели.

«Варяг» получил 5 подводных пробоин и лишился трех 6"−орудий; потери экипажа — 1 офицер и 30 матросов убиты, 6 офицеров и 85 матросов ранены и контужены, ещё около 100 человек получили лёгкие ранения. На «Корейце» потерь не было. По мнению Руднева, корабль не имел возможности продолжать бой, что послужило основанием для возвращения в Чемульпо. После оценки серьёзности повреждений оставшиеся орудия и оборудование на нём были по возможности уничтожены, сам он был затоплен путём открытия кингстонов, а «Кореец» взорван. Также был затоплен российский пароход «Сунгари». В 1905 году после подъема судна корабль убыл в Японию.

Бой и гибель «Варяга» восхитили даже противника: то, что русские моряки поступили по канонам самурайской чести было использовано в пропагандистских целях, как пример для подражания. Кроме того, после русско-японской войны японское правительство создало в Сеуле музей памяти героев «Варяга» и наградило Руднева орденом Восходящего солнца.

После сражения 24 раненых русских моряка находились на лечении в Чемульпо, двое из них — умерло. Ещё 11 раненых были приняты на лечение иностранными кораблями. Затем экипажи русских судов были приняты на иностранные корабли и, дав обязательство не принимать участия в последующих боевых действиях, через нейтральные порты вернулись в Россию. В количестве 30 офицеров и 600 матросов они прибыли — в Одессу.

16 апреля 1904 года они прибыли по железной дороге в Петербург и, выстроившись колоннами,— промаршировали от Николаевского вокзала до площади Зимнего дворца. Здесь моряков-героев приветствовал император Николай II. Все они были приглашены на торжественный обед во дворец, где по этому случаю были приготовлены специальные обеденные приборы, которые после торжества были отданы морякам. Всем матросам «Варяга» в подарок от Николая II были вручены именные часы.