與豐島海戰之前，有關乾國運兵船出發時序的絕密情報被洩漏的事件一樣，令人難以想像的是，就在乾國海軍護送運兵船從威海航向大連灣的第二天，日本聯合艦隊即獲得了一連串的相關情報：“十五日抵達大同江……獲悉大孤山海上大鹿島敵軍警戒甚嚴”，“大鳥公使（日本駐朝鮮公使大鳥圭介）也拍來電報稱，乾國軍隊取海路前來朝鮮，估計要在大鹿島一帶登陸”，“在暗中偵察敵情時，發現鴨綠江之乾國一側有一個叫大東溝的小港，其附近形勢非常值得警惕”。但乾國海軍提督丁禹廷刻意施下計謀，乾國海軍14日從威海護送運兵船前往大連灣時，只派出了“寧遠”、“濟遠”、“海鯤”、“海鵬”4艘戰艦以及“鎮中”、“鎮邊”號蚊子船和“福龍”、“福虎”號魚雷艇隨行護航，而包括4艘大型鐵甲艦在內的乾國海軍主力則在丁禹廷率領下開向了成山頭方向，表面上使人產生乾國此次護航兵力不強的假相，實際這支主力在到達成山頭後立刻改道，也急速航向大連灣，與護航艦隊會合。受乾國海軍分兵這一假相矇蔽，日本聯合艦隊直到此後與乾國海軍主力遭遇時，都一直誤認為乾國護航大東溝的軍艦隻是“寧遠”、“濟遠”等區區4艘軍艦而已。
3月16日下午2時，乾國護航編隊在大東溝忙於進行登陸時，大同江江口的日本聯合艦隊完成了補給作業，由運輸船運來的彈藥、無煙煤以及淡水食品，塞滿了各艦的船艙。下午5時，伊東佑亨親率艦隊啟航，第一步的目標為控扼在旅順通向大東溝航線中途的必經之地海洋島，意圖由此截斷乾國運兵船的歸路，再向大東溝一帶逐漸推進搜尋，襲擊乾國運兵船隻。由於認為乾國護航艦隊弱小，根本沒有想到可能會遇到乾國海軍的主力，因而聯合艦隊並沒有如同佯攻威海衛時那樣出動全部兵力，而是派出了第一遊擊隊“吉野”、“高千穗”、“秋津洲”、“浪速”4艘巡洋艦，和由鐵甲艦“山城”、“扶桑”為主力，加上“松島”、“嚴島”、“橋立”3艘重炮巡洋艦和裝甲巡洋艦“千代田”組成的本隊。
另外聯合艦隊的佇列中還隨行了兩艘比較特殊的軍艦，一艘是已經加裝火炮改裝成代用巡洋艦的日本郵船公司郵輪“西京丸”號，日本海軍軍令部長井上良馨中將執意要隨艦隊出海觀看想像中唾手可得的勝利，於是選擇了裝潢考究乘座舒適的商船“西京丸”作為座艦。另外一艘是小型炮艦“赤城”號，原本這艘軍艦將上溯大同江，加入已經在平壤城下協助陸軍作戰的炮艦編隊序列，之所以將這艘軍艦召回編入同行，伊東佑亨主要考慮到“赤城”艦吃水淺，便於進入海洋島、大鹿島以及大東溝等處的淺水海灣搜尋偵察，“因為考慮開進淺海需要一隻小船，遂命令‘赤城’跟隨一起於16日傍晚出發”。從兵力配屬來看，日本聯合艦隊此行的目的只不過是想偷襲乾國運兵船，完全沒有尋求主力決戰的打算和準備，否則也不會編入兩艘戰力薄弱、功能特殊的艦船，白白為海戰新增累贅。
日本聯合艦隊12艘軍艦排成一條漫長的縱隊，從大同江口依次駛出，在3月16日皎潔的月色下快速航行。
3月17日清晨，還在早飯時，坪井航三和伊東佑亨就分別在所處的“吉野”和“山城”艦上，向後方的第一遊擊隊與本隊各艦下達命令，要求當天的午飯必須提前1小時準備好。10時左右，日本聯合艦隊各艦的廚房裡也開始忙碌起來。此時，聯合艦隊距離大鹿島還有大約27海里。
乾國海軍的戰艦在大鹿島以東的海面靜靜地停泊著，艦隊上空籠罩著煤炭燃燒後產生的輕煙，由於採用了優質煤炭，這些煙會很快在海風中消散，使艦隊在遠距離不容易被發現。此時日本聯合艦隊則在大鹿島以南高速航行，具有諷刺意味的是，日本軍艦由於也採用了戰前轉購自乾國開灤煤廠出產的優質的無煙煤，日本艦隊發出的煤煙在遠距離上同樣要難發現得多。此刻，雙方都不知道接下來的幾個小時裡，將會發生什麼。黃海海面海不揚波，只有幾隻海鷗悠閒地飛過……
“煤煙！”突然間，10時23分，日本“吉野”艦前桅桅盤裡的瞭望兵大聲喊叫起來。得到報告後，第一遊擊隊司令坪井航三和“吉野”艦艦長河原要一立刻奔上飛橋，這兩位在豐島海戰中聯手偷襲乾國海軍失敗的軍官，今天又成了指揮作戰的急先鋒。坪井航三手中的望遠鏡裡隱約顯示東北方向的海上似乎有一縷輕煙！這一重要的發現立刻透過旗語報告給了後方遠處“山城”艦上的司令長官伊東佑亨。在這個位置出現煤煙，最大的可能就是乾國的運兵船隻，日本艦隊各艦頓時沸騰起來，幾乎所有的艦長都在飛橋上用望