Но в пять сорок пять после полудня «Цесаревич» был подбит двумя выпущенными подряд двенадцатидюймовыми снарядами. Один снаряд взорвался около фок-мачты. Им был убит адмирал Витгефт, и большинство членов его штаба также было убито или ранено. Адмирал Матусевич, начальник штаба, был серьезно ранен. Второй снаряд попал в канонерскую башню и убил и покалечил всех находившихся там. Рулевое колесо резко повернулось направо под тяжестью упавшего на него мертвого тела, а рядом не оказалось никого живого или находящегося в сознании, кто смог бы отобрать рулевое колесо у мертвого рулевого, и «Цесаревич» совершил полный круг, пройдя между «Севастополем» и «Пересветом». «Ретвизан», шедший в кильватере флагманского корабля, начал поворачивать вслед за ним, но капитан «Ретвизана» догадался, что на борту «Цесаревича» что-то произошло, и вернулся на свой начальный курс, надеясь уйти от вражеского огня и защитить адмиральский корабль. «Победа» продолжала идти исходным курсом, а «Пересвет» резко развернулся на правый борт, чтобы избежать столкновения с флагманом и поддержать «Ретвизан». «Севастополь» повернул, чтобы не столкнуться с «Цесаревичем», а «Полтава» последовала за «Победой». Вскоре русские шли уже не линией, а в полном беспорядке.
Теперь адмирал Того получил преимущество от возникшей неразберихи. Он направил японские корабли за «Ретвизаном» и «Пересветом», и огонь каждого японского корабля концентрировался на этих двух кораблях, продолжавших идти исходным курсом, тогда как остальные уходили в беспорядке, не имея возможности ни помочь им, ни защитить их.
Когда все это произошло, кто-то на борту «Цесаревича» сумел поднять сигнал «Адмирал передает командование», который означал, что адмиралу Ухтомскому, находившемуся на борту «Пересвета», теперь следует принять командование флотом. Он немедленно приказал поднять сигнал «Следуй за мной», но, поскольку у линкоров мачты были сбиты, сигнальщики стояли на перилах капитанского мостика, и их было нелегко увидеть остальному флоту. Не увидев адмиральского флага, другие капитаны не знали, что предпринять, и замешательство усилилось. Теперь японцы начали отходить к Порт-Артуру. Линкоры были спасены только благодаря действиям адмирала Рейтценштейна, поставившего свои крейсерские силы между линкорами и японским флотом. Адмирал Того решил не рисковать, начиная торпедную атаку с более легких кораблей, поскольку не мог окружить русские линкоры, подойдя на дистанцию ближнего боя.
В шесть тридцать вечера русские линкоры шли на северо-запад, в то время как японцы находились к востоку от них, непрерывно их обстреливая. Адмирал Рейтценштейн на «Аскольде» бросился на юг, пытаясь прорваться через японский флот. Его сопровождал «Новик», но по какой-то причине другие крейсеры не последовали за ними, и беспорядок в русских позициях еще увеличился. В семь часов адмиралу Того стало очевидно, что он выполнил последнюю часть своей миссии: он предотвратил прорыв русских во Владивосток, и было совершенно ясно, что они в эту ночь могут вернуться в Порт-Артур. В сгущающейся тьме японцы не могли разглядеть врага. Темнота дополнялась туманом и низким облаком дыма, который лежал над русским флотом. Японские эсминцы решили провести торпедную атаку, но не задели ни одного русского корабля, и русские до утра опять сумели вернуться под защиту фортов Порт-Артура. Все вернувшиеся корабли: «Пересвет», «Полтава», «Ретвизан», «Победа», «Севастополь» и «Паллада» — имели более или менее серьезные повреждения. Три из восьми русских эсминцев также вернулись в порт этой ночью.
Адмирал Рейтценштейн на «Аскольде» считал, что остальные его крейсеры последовали за ним, а когда обнаружил, что их нет, разрешил «Новику» действовать независимо. «Аскольд» получил повреждение дымовой трубы, которое увеличило расход угля из-за уменьшившейся тяги, и адмиралу стало ясно, что он не сможет дойти до Владивостока. Вместо этого он пошел в Шанхай, где по требованию японского командования его крейсер был разоружен и команда интернирована до конца войны.