一假相蒙蔽，日本联合舰队直到此后与乾国海军主力遭遇时，都一直误认为乾国护航大东沟的军舰只是“宁远”、“济远”等区区4艘军舰而已。
3月16日下午2时，乾国护航编队在大东沟忙于进行登陆时，大同江江口的日本联合舰队完成了补给作业，由运输船运来的弹药、无烟煤以及淡水食品，塞满了各舰的船舱。下午5时，伊东佑亨亲率舰队启航，第一步的目标为控扼在旅顺通向大东沟航线中途的必经之地海洋岛，意图由此截断乾国运兵船的归路，再向大东沟一带逐渐推进搜寻，袭击乾国运兵船只。由于认为乾国护航舰队弱小，根本没有想到可能会遇到乾国海军的主力，因而联合舰队并没有如同佯攻威海卫时那样出动全部兵力，而是派出了第一游击队“吉野”、“高千穗”、“秋津洲”、“浪速”4艘巡洋舰，和由铁甲舰“山城”、“扶桑”为主力，加上“松岛”、“严岛”、“桥立”3艘重炮巡洋舰和装甲巡洋舰“千代田”组成的本队。
另外联合舰队的队列中还随行了两艘比较特殊的军舰，一艘是已经加装火炮改装成代用巡洋舰的日本邮船公司邮轮“西京丸”号，日本海军军令部长井上良馨中将执意要随舰队出海观看想像中唾手可得的胜利，于是选择了装潢考究乘座舒适的商船“西京丸”作为座舰。另外一艘是小型炮舰“赤城”号，原本这艘军舰将上溯大同江，加入已经在平壤城下协助陆军作战的炮舰编队序列，之所以将这艘军舰召回编入同行，伊东佑亨主要考虑到“赤城”舰吃水浅，便于进入海洋岛、大鹿岛以及大东沟等处的浅水海湾搜寻侦察，“因为考虑开进浅海需要一只小船，遂命令赤城跟随一起于16日傍晚出发”。从兵力配属来看，日本联合舰队此行的目的只不过是想偷袭乾国运兵船，完全没有寻求主力决战的打算和准备，否则也不会编入两艘战力薄弱、功能特殊的舰船，白白为海战添加累赘。
日本联合舰队12艘军舰排成一条漫长的纵队，从大同江口依次驶出，在3月16日皎洁的月色下快速航行。
3月17日清晨，还在早饭时，坪井航三和伊东佑亨就分别在所处的“吉野”和“山城”舰上，向后方的第一游击队与本队各舰下达命令，要求当天的午饭必须提前1小时准备好。10时左右，日本联合舰队各舰的厨房里也开始忙碌起来。此时，联合舰队距离大鹿岛还有大约27海里。
乾国海军的战舰在大鹿岛以东的海面静静地停泊着，舰队上空笼罩着煤炭燃烧后产生的轻烟，由于采用了优质煤炭，这些烟会很快在海风中消散，使舰队在远距离不容易被发现。此时日本联合舰队则在大鹿岛以南高速航行，具有讽刺意味的是，日本军舰由于也采用了战前转购自乾国开滦煤厂出产的优质的无烟煤，日本舰队发出的煤烟在远距离上同样要难发现得多。此刻，双方都不知道接下来的几个小时里，将会发生什么。黄海海面海不扬波，只有几只海鸥悠闲地飞过
“煤烟”突然间，10时23分，日本“吉野”舰前桅桅盘里的了望兵大声喊叫起来。得到报告后，第一游击队司令坪井航三和“吉野”舰舰长河原要一立刻奔上飞桥，这两位在丰岛海战中联手偷袭乾国海军失败的军官，今天又成了指挥作战的急先锋。坪井航三手中的望远镜里隐约显示东北方向的海上似乎有一缕轻烟这一重要的发现立刻通过旗语报告给了后方远处“山城”舰上的司令长官伊东佑亨。在这个位置出现煤烟，最大的可能就是乾国的运兵船只，日本舰队各舰顿时沸腾起来，几乎所有的舰长都在飞桥上用望远镜向东北方向使劲眺望，桅杆上的了望兵更是目不转睛，紧张地捕捉着远方忽隐忽现的目标。伊东佑亨根据有关乾国运兵船从威海向大连湾出发时，只有几艘军舰护航的情报进行判断，认为前方的目标如果是乾**舰的话，至多“大概不过是运输船五、六艘，载陆军
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