日本海側の各警察に出されていた「KB参考情報」は、さらに重要度が高い「KB情報（例の不審船は明らかに北朝鮮工作船である。警察は沿岸地域を厳重に警戒せよ）」に変更される。警察は、人気のない海岸での工作員の密入国や、「土台人」が工作員を待ち受けたりしないよう、海岸沿いの警戒を強化した。
威嚇射撃

海上保安庁は、巡視船艇15隻および航空機12機を動員し[1][2]、追跡は夜までおよんだが不審船は停船せず、挑発するように逃走を続けた。18時10分には首相官邸別館にある危機管理センターに官邸対策室が設置された[10]。

19時になると不審船は24ノットに増速、19時30分には28ノットとなったため、巡航速度が不審船に比べて遅いPC型の「はまゆき」「なおづき」が引き離され始めた。その報告を受けると、川崎二郎運輸相は威嚇射撃を許可し、第九管区海上保安本部（新潟）に通知した。

20時過ぎ、第九管区海上保安本部長が海上保安庁法第二十条に基づく威嚇射撃を指示。「みょうこう」から照らされたサーチライトが光る中、20時頃より「ちくぜん」が「第二大和丸」の傍の海上に向かって20mm機関砲で曳光弾50発を発砲[2]、1953年のラズエズノイ号事件以来46年ぶりとなる威嚇射撃を行った。20時24分と21時1分ごろには、「はまゆき」も13mm機銃で計195発を射撃した[2]。また、「第一大西丸」に対しても、「なおづき」が9丁の64式小銃で1,050発（うち曳光弾が500発）もの威嚇射撃を行った[2]。不審船は威嚇射撃に反応したためか、35ノットに増速して逃走。燃料不足もあって「はまゆき」「なおづき」は追跡を断念、また、速力差もあり、20時14分には「第一大西丸」、21時12分には「第二大和丸」が巡視船のレーダー探知距離外に離脱した[2][11]。

特に「第一大西丸」は護衛艦「はるな」のみの追跡となった。官邸対策室ではこれを受けて海上警備行動発令へと傾いたが、再検討の結果、官邸は追跡打ち切りの方向へと向かっていた[12][13]。
謎の停船

「第一大西丸」は、一時的に追手との距離が開いたために、日本側が追跡を断念したと見たのか、23時47分に突然停止[3]。その報告を受けて野呂田芳成防衛庁長官は海上警備行動の発令を決断した。

手続きとして、翌3月24日0時30分に川崎運輸相より野呂田防衛庁長官に「海上保安庁の能力を超えている」との連絡があり[3][7]、0時45分に持ち回り閣議が開かれて海上警備行動を承認、0時50分、自衛隊法第82条に基づく初の海上警備行動が野呂田から自衛艦隊司令官および各地方総監あてに、海上における警備行動に関する海上自衛隊行動命令（海甲行警命第16号。11.3.24 0050）として発令された[1][3]。
初の海上警備行動

吉川榮治第3護衛隊群司令（後に海上幕僚長）に現場指揮が命令され、第2航空群に爆弾投下命令が出された。「みょうこう」をはじめとする各護衛艦は、海上自衛隊発足以来初のROE（交戦規定）となる野呂田防衛庁長官名の命令書「部隊の取るべき措置標準」を受け取り、はるな及びみょうこうは2隻に対して無線及び発光信号にて停船命令を実施[7]、その後1時19分から4時38分にかけて搭載速射砲で25回35発（みょうこうが第二大和丸に対し13回13発、はるなが第一大西丸に対し12回22発、砲側射撃）の警告射撃を実施した[3][7]。3時20分から5時41分にかけ、上空から八戸のP-3C 3機が、巨大な水しぶきにより水の壁を作り、水の力で不審船を停船させるため、150キロ対潜爆弾12発（のべ3回各機4発ずつ）を投下する警告爆撃を行った[3][7]。上空には海上自衛隊岩国航空基地所属のEP-3電子戦機と在日米海軍のP-3CとEP-3も飛来していたが、航空自衛隊には警備行動への参加が発令されず、P-3Cと監視中だったE-2C早期警戒機は、護衛の戦闘機無しで不審船上空を飛びまわった。そのため、爆弾を搭載したP-3Cが現場に到着すると、不審船からの地対空ミサイルによる攻撃を防ぐため、現場判断で、爆弾投下を行うP-3Cと不審船の間に、監視目的で飛行していた無防備のE-2C僚機が割り込み、命懸けで盾となる飛行を行うなどの混乱が起きた。

防空識別圏境界が近づくと、ロシア政府から不審船追跡におけるロシア側海域通過の許可が下りた。同時にロシア側による不審船追跡が開始され[11]、ロシア側からも停船命令が発せられた。後にロシア側の責任者は「この不審船が、もしもロシア領海に侵入していれば、即座に撃沈するつもりだった」と語っている。
命がけの突入計画

護衛艦「みょうこう」では、不審船に接近し立ち入り検査を行うこととなった。艦長命令により、航海長伊藤祐靖（当時1尉）を指揮官とする臨検部署（戦時国際法の海戦法規に基づく行為）が臨時に発令され、臨検要員を選出、艦内に備え付けの64式7.62mm小銃と9mm拳銃が配られた。海上自衛官は、全員が小銃や拳銃の射撃訓練を受けているが、テロ対策に必須の技術であるCQB（近接戦闘）やCQC（近接格闘）に精通する者は皆無であり、また護衛艦には防弾チョッキすらなく、代わりに隊員の持ち込んだ漫画本を胴体にガムテープでぐるぐる巻きにして対処するほかなかった[14]。また、護衛艦「はるな」に於いても臨検部署が発令される中、第1分隊（砲雷科）が、不審船の進路上に割り込んで網（体験航海時の緑色の転落防止ネット）を投下し、海面に漂わせて不審船のスクリューに絡ませようとしたが、回避され失敗した[3]。
逃走

不審船はその後も高速で逃走し、3時20分に「第二大和丸」が、6時6分に「第一大西丸」が防空識別圏を越えたため追跡を断念した[1][2][3][7]。7時55分に、E-2Cが北朝鮮からのMiG-21戦闘機2機の出撃を確認。このため、各護衛艦では対空戦闘に備え、空自からは通常のスクランブル任務として小松基地からF-15J戦闘機2機が発進した[3]。