平壤陷落的第三天，日本聯合艦隊在鴨綠江口大東溝附近的黃海海面挑起—場激烈的海戰，這是甲午戰爭中繼豐島海戰后第二次海戰，也是中日雙方海軍一次主力決戰。日本聯合艦隊的總司令官為伊東祐亨，他自幼對海軍感興趣，在江川英龍的學校學炮兵，后進入勝海舟的神戶海軍操練所，與坂本龍馬、陸奧宗光共同學航海。明治初年加入海軍，曾任“浪速艦”、常備小艦隊司令、海軍軍令部第一局局長兼海軍大學校長，參加過戊辰戰爭。北洋水師的提督大人為丁汝昌，他從小家庭貧苦，咸豐初，父母雙亡，只能外出幫工。早年參加太平軍，后叛投湘軍，不久改投淮軍，官至北洋海軍提督。一個是從小熟悉海軍知識擁有豐富經驗的總司令，一個是陸軍出身不懂海防的提督，從指揮官的素質就可預見海戰的結局。

　　9月15日上午，北洋水師護送4000余名入朝援軍到朝鮮。返航后在鴨綠江口大東溝（今遼寧省東港市）遭遇日本聯合艦隊阻截，戰斗由此爆發。日本海軍在大同江外海面投入戰斗軍艦有12艘，包括其全部主力戰艦。日本聯合艦隊第一游擊隊率先發現了北洋水師。便掛出“東北方向發現三艘以上敵艦”的信號旗。北洋水師鎮遠艦桅樓上的哨兵看到西南方向海面上有幾簇黑煙，也發現了日本艦隊。丁汝昌隨即命令各艦升火、實彈，準備戰斗。日本聯合艦隊第一游擊隊在先，本隊在后，呈單縱陣，接近北洋水師。北洋水師在行進中由雙縱陣改為橫陣，旗艦定遠位于中央，其余各艦在其左、右依次展開，艦隊呈楔形梯隊。同時丁汝昌還發出命令：“各小隊須協同行動；始終以艦首向敵；諸艦務于可能之范圍內，隨同旗艦運動之?！?p>　　雙方艦隊相距5300米，北洋水師旗艦定遠艦首先開炮。聯合艦隊第一游擊隊在距北洋水師5000米處即向左轉彎，航向北洋水師右翼。聯合艦隊航向北洋水師右翼，冒險將艦隊暴露于北洋水師陣前。十秒鐘后，鎮遠艦也發出炮彈，緊接著，北洋艦隊各艦一齊發炮轟擊。三分鐘后，日本聯合艦隊旗艦松島艦也開始發炮還擊。定遠艦主桅中彈，信號索具被炮火所毀，在飛橋上督戰的丁汝昌身負重傷。剎時間，雙方各艦百炮一齊怒放，硝煙彌漫，海水沸騰。丁汝昌拒絕隨從把自己抬入內艙，堅持坐在甲板上督戰。日第一游擊隊4艘戰艦利用航速優勢繞攻北洋艦隊右翼“超勇”、“揚威”，二艦相繼被擊中起火，退出戰斗。日艦“吉野”也被北洋艦隊擊中起火，但很快被撲滅。13時30分左右，“超勇”沉沒，管帶黃建勛落水，“左一”魚雷艇駛近相救，拋長繩援之，黃建勛不愿被救，從容赴死，艦上官兵也大部壯烈犧牲。當日本第一游擊隊繞攻北洋艦隊右翼時，本隊也與北洋艦隊主力交相攻擊。日本軍艦“比睿”、“赤城”、“扶?！薄ⅰ拔骶┩琛痹獾奖毖笈炾牻負?。“定遠艦”、“來遠艦”、“經遠艦”重創日艦“比睿艦”、“赤城艦”。“赤城艦”艦長坂元八太郎陣亡?！拔骶┩琛币彩苤貏?。日本艦隊繞至北洋艦隊背后，與第一游擊隊形成夾擊之勢。北洋艦隊腹背受敵，隊形更加混亂。在混戰中，北洋艦隊一直沖殺在前的“致遠”艦受到“吉野”、“高千穗”等的集中轟擊，多處受傷，船身傾斜。伊東祐亨令第一游擊隊救援“赤城”、“比?！?。“吉野號”沖在最前面，正遇上全身著火的“致遠”艦。鄧世昌見吉野恃其船捷炮利，橫行無忌，憤而說道：“倭艦專恃吉野，茍沉是船，則我軍可以集事?！睕Q意與之沖撞，同歸于盡。致遠艦毅然全速撞向日本主力艦“吉野”號右舷，日本官兵見狀大驚失色，集中炮火向致遠射擊，致遠艦右側魚雷發射管被擊中，引起大爆炸，在黃海海面上沉沒。全艦官兵除七名遇救外，其余自鄧世昌以下全部壯烈殉國?！敖涍h”繼續迎戰“吉野”，遭吉野、浪速、秋津洲、高千穗四艦圍攻，中叢彈起火，全艦奮勇抗御，經遠全艦將士“發炮以攻敵，激水以救火，依然井井有條”。經遠艦以一敵四，拒戰良久。激戰中，管帶林永升不幸“突中炮彈，腦裂陣亡”，幫帶大副陳榮和二副陳京瑩也先后中炮犧牲。最后在浪速、吉野、秋津洲、高千穗的圍攻下經遠艦中彈累累，不久，傾覆而沉沒。全艦官兵二百余人，除十六人遇救外，其余全部陣亡。致遠艦沉沒后，濟遠艦管帶方伯謙、廣甲艦管帶吳敬榮，臨陣脫逃（方伯謙等是否臨陣脫逃，有不同看法）。靖遠艦、來遠艦因中彈過多，退出戰斗，避至大鹿島附近緊急修補損壞的機器。定遠、鎮遠兩艦仍浴血奮戰，中彈甚多，幾次起火。鎮遠艦的30.5公分大炮連續擊中日軍旗艦松島號二次。松島號甲板四號炮塔中彈后，火焰引發炸藥，發生了大爆炸。松島船軸傾斜5度，冒起白煙，火災大作。不久，靖遠、來遠搶修完畢，重新投入戰斗。日本聯合艦隊赤城、比睿、西京丸負傷，旗艦松島號情況也不容樂觀，吉野號、扶桑號也受了傷，又見北洋艦隊重新集隊，伊東祐亨下令艦隊撤出戰場。北洋艦隊稍事追擊，也收隊返回旅順。

　　歷時5個多小時的黃海海戰到此結束。海戰的結果：北洋艦隊損失“致遠”、“經遠”、“超勇”、“揚威”、“廣甲”（“廣甲”逃離戰場后觸礁，幾天后被自毀）5艘軍艦，死傷官兵千余人；日本艦隊“松島”、“吉野”、“比睿”、“赤城”、“西京丸”5艦受重創，死傷官兵600余人。此役北洋水師雖損失較大，但并未完全戰敗。然而李鴻章為保存實力，命令北洋艦隊躲入威海港內，不準巡海迎敵。日本聯合艦隊奪取了黃海的制海權。

　　黃海海戰自1894年9月17日12點50分海戰打響，至下午5點半結束歷時5個多小時，其規模之大，時間之長，為近代世界海戰史上遠東戰區所罕見。