在一切准备就绪之后，刘冠雄只留下两艘新潜艇和“金元”号装甲炮舰用来守卫旅顺口，带走了包括水上飞机母舰“漫游者”号和南洋、广东来的两艘装甲巡洋舰在内的所有水面舰艇，准备给予俄国海军狠狠一击。
这支由一艘老式铁甲舰、九艘巡洋舰和两艘鱼雷艇组成的北洋舰队“护岸舰队”杀气腾腾直奔佐世保而来，在外海巡航的俄国老式装甲巡洋舰“米宁”号（排水量6234吨，主炮口径203毫米）发现了前来进攻的中国舰队，立刻掉头就跑，但因为速度太慢，结果不久就被北洋诸舰追上“围殴”，“米宁”号边打边逃，跑到佐世保港外时已经完全丧失了作战能力，如果不是这艘装甲巡洋舰“皮糙肉厚”，弄不好就成为了被中国海军打沉的第二艘巡洋舰了。
听到炮声，在港内支援陆军作战的俄国大型巡洋舰“留里克”号和“阿斯科尔德”号立刻冲出港外，救援已经被打成生活不能自理的“米宁”号，双方随即展开了激烈的炮战，在战斗一开始，北洋舰队的老式铁甲舰“漫游者”号就把三架水上飞机全都放飞了出去，立马横刀向俄舰扑来，开动全舰炮火向俄舰猛射，在“漫游者”号的掩护下，北洋“护岸舰队”的其它速度较快的巡洋舰以单纵阵猛扑上来，以一舷齐射的火力向两艘俄国大型巡洋舰猛烈开火，俄国舰队则以“留里克”号在前，“阿斯科尔德”号在后，结成姊妹舰迎战，双方战舰往来奔驰。在佐世保港外大战，俄国人的这两艘大型巡洋舰虽然盔坚甲厚，火力强大，但毕竟是以二敌九，在北洋“护岸舰队”七艘快速巡洋舰和两艘装甲巡洋舰的围攻下中弹多处，一度燃起了大火，但俄国水兵竟然丝毫不惧，一边作战一边救火，愣是死战不退，让在附近观战的英国海军将士赞佩不已。
双方交战多时。北洋舰队防护性稍差的“追日”号巡洋舰被“留里克”号接连击中后起火，被迫退出战斗灭火自救，“留里克”号上地官兵见到“追日”号起火退走，全都禁不住欢呼起来。“留里克”号总算给俄罗斯帝国海军挽回了一些面子。
可没等俄国水兵高兴多久，他们就遇到了意想不到的麻烦。
那就是，天上的三架中国水上飞机。
在战斗一开始，为了不影响舰队的火力发挥。这三架飞机就离开了自己的母舰，在天上观战，并时不时的发信号报告俄舰的方位，但不久，这些飞机上的飞行员们就发现，俄国的“留里克”号巡洋舰凶猛的炮火给大多是快速巡洋舰地北洋舰队造成了很大的威胁，“追日”号巡洋舰的起火退出战斗更证实了飞行员们的担心，但他们地飞机目前缺少进攻性武器，尤其是在这种激烈的海战当中更是无法发挥作用。飞行员们不甘心在天上“袖手旁观”，以他们独特的方式加入了战斗当中，结果打响了中国人的第一次海空协同作战！
当然了，也是世界战争史上地第一次海空协同作战。
在海战的关键时刻，三架中国水上飞机加入了战团！
据“追日”号巡洋舰管带黄鸣球说，“三飞机先后轮番向俄舰俯冲。以小****向俄舰掷击，虽中者寥寥，然俄兵大骇，其炮多不能取准，火力由是大减，则我舰之炮可以从容奋击，故三飞机功莫大焉。”
三架飞机在“留里克”号周围不断地来回俯冲干扰，并时不时的丢下一两颗手榴弹，虽然给“留里克”号造成不了多大的伤害。但却严重的干扰了俄舰的开炮射击。据飞行员们讲的，“一枚手榴弹落在了敌舰炮罩里。引爆了旁边的弹药，引起了一连串的爆炸，波及到了其它地炮位”，“留里克”号因此火力大减，结果两艘俄舰在北洋“护岸舰队”的围攻下中弹过多，终于无法坚持下去，只好退进了港口，借助海岸炮兵的掩护才没有被击毁。
在双方激烈炮战地时候。遭受重创地“米宁”号趁机拼死逃进港内。好歹总算躲过一劫。逃脱了被击沉地命运。
北洋“护岸舰队”取得了这次“海空协同作战”地胜利。
由于俄舰地炮火十分凶猛。双方又是处于近距离交战地态势。除防护性能较好地“漫游者”号铁甲舰外受伤较轻外。其余北洋各舰也多有损伤。而在佐世保地俄国舰队经此一役。虽然没有舰艇被击沉。但各舰受损十分严重。剩下地四艘小型巡洋舰和各种辅助船只因此躲在港内。龟匿不出。面对这种情况。刘冠雄果断地决定用鱼雷艇进行偷袭。
接下来地时间里。北洋舰队地两艘鱼雷艇“飞翔”号和“飞电”号借着烟幕地掩护偷入佐世保港内。用新式鱼雷向港内地俄舰一通狂射。结果俄国大型运输补给舰“克莱姆尔”号中雷发生爆炸。瞬间倾覆。“阿斯科尔德”号地舰体被鱼雷炸开一个大洞。被迫抢滩搁浅。“留里克”号在躲避鱼雷攻击时不慎触礁搁浅。成了“固定炮台”！
鉴于已经给了俄国舰队以重创。为了防止俄国舰队主力从海参崴增援。刘冠雄及时率领“护岸舰队”撤出了战斗。在“漫游者”号收回水上飞机后胜利返航。
这场被称为“佐世保外海之战”地海战。又以中国海军地胜利而告终。
在这场中国人的第一次海空协同作战中，中国人自己研制的水上飞机首次参战，使飞机这种新兵器在海战中崭头角，这场海战的详情很快传遍了世界，虽然孙纲自己知道这场海战的意义和对未来海战方式产生的深远影响，但在现在，甚至包括现在世界上许多海战专家在内，并没有几个人能够真正认识到这一点。
这帮外国人注意的，则是另一方面。
因为这一次，外国的好多评论家对北洋“护岸舰队”这次的表现颇有微词，相反的，对俄国水兵的表现则大加褒扬，让这次海战的指挥者刘冠雄郁闷不已。
“海权论”的作者马汉“大神”就说，“这次海战是中国和日本的那场大东沟海战的重现，在这次海战中，中国人充当了自己原来对手的角色，而俄国人反过来扮演了原来中国人的角色，中国人以九艘巡洋舰围攻俄国两艘大型巡洋舰，然而却未能将俄**舰完全消灭。考虑一下战斗结果，可以说，这次海战尚处于胜负未决之间。总之，总计一万七千吨的装甲舰两艘，完全可以对抗半装甲舰五艘以上。这几次海战的事实证明，少数大型军舰，可以胜于具有同等或以上吨位的多数小舰。而且在一个号令下统一的兵力，比把指挥权分散为若干的兵力为强，这是适合战斗原则的。这个结论并不是从狭隘的意义上妄加推断，而是多少加以考虑即可辨明的。我宁可要一万吨的一艘，而不要六千吨的两艘。我们的先人曾以七十四门炮的军舰一艘，战胜富里盖特型军舰两艘，从道理上讲都是一样的。”
“中国的海军指挥官用快速巡洋舰组成的舰队空袭防守坚固的海港，虽然取得了一定的战绩，但是对俄国人的伤害并不是很大，相反，在拥有优势的中国人面前，俄国人的表现非常出色，不但成功的吸引住了中国人的注意力，为受到重伤的友舰提供了逃跑的机会，而且在海战中给所有的中**舰都造成了损伤。而对中国人来说，以全部军舰围攻两艘俄**舰，而让本已经受重伤的米宁号巡洋舰逃脱是不可饶恕的错误，丧失了本来唾手可得的胜利，对比中国人后来取得的战果，这一点就表现的更为明显了”
“最后，我想就大炮装甲的优劣再做一下说明。战斗中中**舰的大口径速射炮没有能够穿透俄**舰的装甲，这不仅加强了认为装甲舰才是海军兵力的中坚的论者的论点，而且足以促使苦心焦虑研究大炮、装甲间优劣问题的人们的注意。然而回顾一下其结果如何，则正如我等多数人公平预测的那样，当大炮在试验场进行射击试验时，经常是成绩优异的。但装甲则证明在实战中，远比在试验场有更大的抵抗力，即装甲在此次海战中，更加启发人们了解到它从来未被世人所知道的真正价值。”