刘步蟾接到李经述总统的密令，大为高兴，于是依计行事，诱使俄国的舰队进入了旅顺港。俄国舰队中计后，刘步蟾乘坐“北京号”，从容不迫指挥着“科学号”、“民主号”、“共和号”等万吨级的军舰，加上“定远舰”、“镇远舰”等军舰，下令敌前大转向，排布著名的“u”型转弯，对进入旅顺港内俄国的太平洋舰队展开了猛烈的炮火攻击。
俄国的军舰比较集中在狭窄的港口，中国的军舰的炮弹几乎达到了“每发必中”的效果，俄国的海军旗舰“亚历山大三世”、“尼古拉一世”、“海军上将乌沙科夫”“海军上将阿普拉克辛”、“海军上将谢尼亚文”、“鹰”等6艘战列舰，开战不到一个时辰，先后被重创沉没，旅顺港上空火光冲天，很多俄国的辅助战舰也燃起了大火，俄军很多人来不及跳海就被烧焦了，俄国舰队遭到了致命的打击！
这一战，38艘俄国战舰被击沉21艘，被俘9艘，损失舰艇共27万吨，阵亡4830人，被俘5917人；中国仅损失2艘鱼雷艇，亡17人，伤58人，取得了空前的胜利。而且，俄国新上任不久，公认为沙俄海军最出色的将领马卡洛夫海军中将随“亚历山大三世”旗舰同沉。他的死，对于沙俄来说，是一个无可挽回的悲剧，从此俄国太平洋舰队官兵的士气一落千丈，不想也再不敢同中国人在大海上战斗，继任的舰队指挥官认为前途渺茫，下令剩余的军舰龟缩到海参崴。
海参崴，为中国领土，是远东明珠！17世纪中期，清康熙年间清政府和沙俄签订的《尼布楚条约》中，明确海参崴所在地区属清朝。第二次鸦片战争中，1858年清政府和沙俄签订不平等的《瑷珲条约》，还规定包括海参崴的乌苏里江以东地区为中俄共管。但1860年，俄国又逼迫清政府签订不平等的《中俄北京条约》，清政府割让了乌苏里江以东包括库页岛在内的约40万平方千米的领土，其中包括海参崴。1901年，海参崴是沙俄在远东地区的一个重要的军事基地，不过由于距离俄国本土太远，该地的发展缓慢。1871年沙俄在此建设军港，将太平洋舰队驻地从尼古拉耶夫斯克迁于此，1888年成为沙俄滨海省行政中心，刘步蟾在旅顺港重创沙俄海军后，带领中国舰队北上，包围了海参崴，开始收复国土的第一战！
在地理位置上，海参崴距离吉林省的珲春市仅180公里，拥有天然的不冻港，它濒临日本海仅15公里。1901年夏天，从莫斯科到海参崴的西伯利亚大铁路还没有修通，海参崴的海防要塞也没有修筑完成。俄军在海参崴驻扎了两万陆军和海参崴分舰队，中俄开战，俄国太平洋舰队在旅顺主力舰被歼，几乎全军覆没，中国获得完全的制海权，李经述闻讯后大喜，发电报给刘步蟾和段祺瑞，要求海陆空三军全面出击，在半个月内拿下海参崴!
海参崴对于今天大多数中国人来说，可能只是一个陌生的地理名词，但对一百多年前的先辈来说，海参崴像香港、澳门一样，是中国母亲孤悬海外的游子，也是东北人心中永远的痛。在吉林省的图们、延吉、珲春、敦化、长春、吉林市等地区，许多家族的先辈都是海参崴人，吉林人还可以通过图们江自由出入海参崴走亲串友。李经述之所以急切地想中国收回海参崴，因为它自古以来就是中国的领土。它来自满语。意为“海边的小渔村”，海参崴在元代称“永明城”，唐代渤海国时期属率宾府辖地。海参崴附近的波谢特湾，为元朝东北边区的对外贸易海港。1860年之前本为中国清朝吉林辖地。如果能一鼓作气收回海参崴，可以极大鼓舞东北人民打击俄国人的斗志。
刘步蟾奉命率领中国舰队到达海参崴外的图们江时，原俄国太平洋舰队司令亚历山大·维萨里奥诺维奇·史塔克公爵虽然陷入了深深的绝望当中，但还是硬着头皮带领整编的俄国海参崴分舰队迎战。
这是一场毫无悬念的战斗。刘步蟾率领的舰队拥有“北京号”、“科学号”、“民主号”、“共和号”四艘一万三千吨级的重炮铁甲舰，还拥有“定远”号、“镇远”号、“苏州”号等二十艘性能优越的远洋铁甲舰，还有辅助鱼雷舰等，总吨位将近25万吨，指挥官有经验丰富的英国海军少校琅威理、海军副总长邓世昌、海军中将黎元洪等。
俄国海参崴分舰队只有原有的十艘老得掉牙的三千吨级的老式战舰，一艘一万三千吨级别的旗舰“尼古拉二世”号，另外加辅助军舰十艘。这支仓促拼凑的舰队，某些舰只尚未完全建成就被迫出海，边航行边安装火炮。官兵战术技术水平低，有的甚至缺乏起码的训练，通信联络靠德国造的无线电台，德国技术员一走，电台即形同废物。有的官兵还受过革命思想影响，具有反抗精神，不愿意替沙皇卖命。史塔克公爵早知道出战的结果，但是，为了自己贵族的荣誉，他选择了宁死不降。
那天薄薄的雾气笼罩着整个海参崴，海上风高浪急，史塔克公爵乘坐着一万三千吨级别的旗舰“尼古拉二世”号，指挥舰队首先开火，企图冲出中国舰队的包围，但俄国舰队因为航速慢，没有得逞。
刘步蟾站在“北京号”上，发现海面上有几簇黑烟，知道俄国舰队出现，便充分发挥中国的军舰航速快、火力猛的优势，呈单纵阵，占领俄国舰队前进方向的有利位置，指挥“科学号”、“共和号”、“定远”号三艘军舰的主炮对准“尼古拉二世”号，集中火力猛烈炮击，刹时间，三艘铁甲巨舰百炮一齐怒放，硝烟弥漫，海水沸腾了，翻起白色的浪花，海鸥都吓得振翅高飞！
邓世昌乘坐在“民主号”上，迂回到“尼古拉二世”号的侧翼，攥紧拳头用力一挥，发出命令：“开火！开火！”，一炮击中“尼古拉二世”号的甲板，只听“砰”的一声惊天巨响，军舰的甲板四号炮塔中弹，火焰引发炸药，发生大爆炸，船轴倾斜，冒起白烟，船体开始起火。史塔克公爵命令“尼古拉二世”号全速前进，朝“民主号”撞去，邓世昌命令“民主”号发射鱼雷，数十枚鱼雷齐发，“尼古拉二世”号的速度太慢，只有十二点五节左右，离“民主”号还有二三海里，就触了鱼雷沉没了，史塔克公爵以身殉了沙皇。
失去指挥舰的俄国舰队，就像无头的苍蝇，仓皇应战，双方在薄雾迷漫之中进行了一场混战。中国的军舰的几百门大口径火炮，几乎同步发出自己的怒吼，“轰轰”不同口径的炮弹，在发射药包的作用力下，呼啸着飞出炮膛，在高空中划出一道道精美地弧线，落在了俄国的军舰上。俄舰被击沉十艘，自沉六艘，被俘虏三艘，伤亡三千多人，而中国舰队只损坏了两艘鱼雷舰，伤十人。