ロシア海軍へ編入されたのは1903年。日露戦争では、旅順港を拠点とする太平洋艦隊（後に第一太平洋艦隊へ改称）に所属した。開戦直後の1904年2月9日の旅順口攻撃では日本海軍駆逐隊の魚雷攻撃により被雷した。旗艦だった「ペトロパブロフスク」が日本側の機雷に触れて沈没した後は旗艦をつとめた。8月10日の黄海海戦ではイワノフ艦長の指揮下、ヴィトゲフト提督の旗艦として出撃したが、日本艦隊から30.5cm砲弾13発及び20.3cm砲弾2発を受ける。午後6時過ぎに命中した砲弾は前部甲板中央部に命中して司令塔を破壊しヴィトゲフト提督などが戦死。続いて午後6時37分に司令塔に命中弾があり、艦長などが死傷。またこの被弾で取り舵の状態にしたままで操舵手が戦死し、ツェサレーヴィチは左へ曲がっていった。この結果ロシア艦隊の艦列は乱れ壊滅の危機に陥ったが、戦艦レトヴィザンが突進して日本艦隊の砲火をひきつけた隙にロシア艦隊は逃走した。ツェサレーヴィチでも意識を取り戻した士官らによって約25分後には操舵が可能となった。ツェサレーヴィチも旅順へ向かう艦隊の後を追ったが損傷のため取り残され、そのため艦の指揮をとっていた副長シューモフ中佐はウラジオストクへ向かおうとした。夜間日本軍の水雷艇による攻撃を受けたが撃退し、復帰した艦長イワノーフ大佐はウラジオストク到達は不可だと判断して青島へと向かい、8月11日午後に到着した。ツェサレーヴィチは同じく青島に入港していた駆逐艦とともに同地で武装解除された。