„Połtawa” i „Sewastopol” wzięły następnie udział w bitwie na Morzu Żółtym 10 sierpnia 1904, idąc jako ostatnie w kolumnie sił głównych. Podczas tej bitwy oba pancerniki odniosły umiarkowanie poważne uszkodzenia, otrzymując po ok. 12-14 trafień pociskami od 203 do 305 mm, zwłaszcza „Połtawa”, na której pocisk przebił burtę pod linią wodną na rufie, a inny uszkodził wał napędowy oraz uszkodzeniu uległo 5 dział 152 mm. Straty wyniosły na „Połtawie” 12 zabitych, 43 rannych, na „Sewastopolu” 1 zabitego i 61 rannych. „Sewastopol” wystrzelił m.in. 78 pocisków artylerii głównej i 323 pociski 152 mm. Oba okręty uzyskały trafienia na okrętach japońskich, m.in. krążowniku pancernym „Yakumo” (12 zabitych). Po niepowodzeniu próby przebicia się, oba okręty powróciły z głównymi siłami do Port Artur. W drodze powrotnej, „Połtawa” została trafiona torpedą przez japoński torpedowiec, która jednak nie wybuchła. thumb|Wrak „Połtawy” w Port Artur thumb|Wrak „Połtawy” w Port Artur