海戰打響後，日艦第一遊擊隊見北洋艦隊來勢兇猛，特別是「畏定、鎮二艦甚於虎豹」，所以一面發炮一面加速從定遠、鎮遠二艦前面奪路而行，直撲北洋艦隊的薄弱右翼超勇、揚威二艦。吉野、高千穗、秋津洲和浪速四艦集中火力猛攻，超勇和揚威竭力抗擊，日艦多處受傷。但艦齡達十三年以上的超勇、揚威畢竟不敵號稱「帝國精銳」的第一遊擊隊，下午一時二十分，黃建勳，左翼右營副將，超勇號管帶在他指揮下，全艦官兵無不誓死作戰，但「超勇」畢竟是艦齡十餘年的老艦，終究敵不過日本游擊隊的四艘主力艦，激戰中「超勇」艦中彈甚多，特別是一敵彈擊穿艙內，引起大火，剎那間「超勇」全艦被黑煙籠罩，由於「超勇」艦是木質艦身，艙內起火無法施救，不久就右舷傾斜，難以行駛，最終被烈火焚沒。黃建勳落水後，「左一」魚雷艇駛近相救，拋長繩援之，不就而沒，時年43歲。
揚威也受重傷，各炮已不能轉動，在日艦輪番轟擊下，不得不駛離戰場，但又擱淺。林履中，右翼右營副將，揚威號管帶，「揚威」是北洋水師中艦齡較老，作戰和防衛能力較弱的老艦，又處於右翼陣腳最外側。由於北洋水師陣列跨度較大，「定遠」、「鎮遠」的炮火不能支援到兩側陣腳的戰艦，於是「揚威」便遭到日本游擊隊":吉野":等四艦的猛攻。「揚威」先後中彈起火，正在此時，「濟遠」艦竟然轉舵逃跑，「撞揚威舵葉，揚威行愈滯，敵彈入機艙」，艙內彈炸火起，「漸不能支」。在此危急時刻，林履中親率千總三副曾宗鞏等發炮攻敵不止。但":揚威":首尾各炮已不能轉動，而敵炮紛至，艦身漸沉於海。林履中登台一望，奮然蹈海，都司幫帶大副鄭文超和守備二副鄭景清同時落水。當時，「左一」魚雷艇駛至，投長繩相援，林履中推而不就，隨波而沒，時年43歲。時人讚他「見危授命，激烈效忠，其所謂臨大節而不可奪者」。
在第一遊擊隊開始炮擊超勇、揚威的同時，以旗艦松島為首的日艦本隊也到達定遠艦的正前方，雙方展開了猛烈的炮擊。十二時五十三分，松島的一顆炮彈擊中定遠的桅桿，打壞定遠通訊器，此時劉步蟾在漢納根的協助下督戰，指揮戰艦不斷變換方位，使日艦不能瞄準定位。
沈壽?在「定遠」艦督炮擊敵，重創日艦「松島」、「比睿」、「赤城」、「西京丸」。這時「定遠」305mm口徑大炮發射一枚30公斤炮彈，擊中日本旗艦「松島」右舷下甲板，擊毀第四號速射炮及左舷全部炮架。死傷達二十四人。
松島號艦長尾本知道在司令伊東佑亨的吩咐下，忙令軍艦上的軍樂隊補充已陣亡士兵的位置繼續戰鬥。
由於敵艦攻擊北洋旗艦，作為報復北洋水師將士也回過頭來攻擊日艦旗艦。此時，松島也成了北洋艦隊的炮火集中打擊的目標，十二時五十五分，一顆炮彈又擊壞松島的三十二公分主炮塔，松島見定、鎮二艦炮火強大，急忙率本隊轉舵向左，加速駛避。北洋艦隊也全隊隨之向右轉舵，繼續以艦首指向日艦。而位於日艦本隊後半部的比睿等艦，因速度遲緩，遠遠落在後面。這樣，本隊便被攔腰截為兩段，形勢大為不利。
北洋艦隊抓住時機發動猛攻，各艦以右翼炮轟擊松島等前隊，又以左翼炮轟擊後面的三艦。一時四分，松島的七號炮位被定遠擊毀，而比睿已被靖遠趕上，相距僅七百米。比睿見情勢緊急，向右急轉彎，試圖從靖遠和定遠之間穿過，與本隊會合。然而，比睿立即遭到北洋艦隊的包圍，炮彈從四面飛來，傷亡嚴重。靖遠葉祖貴見狀遂下令停止炮擊，攜帶步槍的突擊隊排列在甲板上，準備靠近比睿，將其俘虜。然而事與願違，櫻井規矩之艦長在危急中，急令速射炮拚命發射，五分鐘內發射了一千五百多發，迫使靖遠難以靠近。
沈壽?見此情形，從右後方發炮轟擊。比睿被其三十公分半巨彈擊中，下甲板後部全部毀壞，艦上十九人當場炸死。頃刻間，烈火騰空，艦艇失去戰鬥力。一時五十五分，比睿依靠其速度逃出北洋艦隊的炮火網，並掛出「本艦火災退出戰列」的信號，向南駛離。
位於本隊左側的赤城艦，速度更為遲緩，落在最後。比睿駛離後，赤城孤立無助，完全暴露在北洋艦隊左翼的炮火下，中彈纍纍。一時二十分，定遠後部的十五公分炮彈擊中赤城艦橋，一號炮手、二號炮手及兩名水兵中彈身亡，正在看海圖的阪元艦長被彈片擊中頭部，鮮血染紅了海圖。阪元死後，赤城仍不斷中彈，艦上軍官幾乎非死即傷，勢難支持，便轉舵向南駛離。來遠在後尾追，連連發炮，先擊倒大檣，又中艦橋，代理艦長也受了傷。到下午二時半，赤城總算逃離作戰海域。
此時北洋艦隊二艦被擊沉，小日本艦隊二艦重傷，失去戰鬥能力而退出戰鬥隊列。
下午二時半，平遠、廣丙兩艦以及福龍、左一兩艘魚雷艦加入戰鬥。黃海海戰打響時，當時沿大東溝近岸航行擔任艦隊側翼警戒的魚雷左一營都司蔡廷干，立即率領「福龍」號及本部魚雷艇隊尾隨「平遠」、「廣丙」兩艦奔赴大東溝海域參戰。下午2時30分，「平遠」、「廣丙」兩艦首先與日艦「西京丸」、「巖島」及旗艦「松島「號交戰。當時日艦比睿、赤城剛剛逃出戰區，西京丸的右舷隨即暴露在北洋艦隊前方，立即遭到平遠、廣丙等北洋艦隊各艦炮火的猛烈轟擊。其舵機遭到損壞，只能靠人力舵勉強航行。不久，右舷又中一彈，立即出現裂縫，滲進海水。程璧光指揮「廣丙」艦不斷的擊中敵艦，當平遠駛近松島二千二百米時，突然發射二十六公分炮彈，擊中松島的中央水雷室，四名魚雷發射手中彈身亡。松島也發炮還擊，炸毀了平遠的二十六公分主炮，並引起火災。平遠見勢不敵，轉舵駛避。兩艦雖然都首發命中「松島」及「西京丸」並引起大火，終因本身火力太弱，又系木質船身先後被日艦還擊受創退出戰鬥。海戰中，程璧光腹部被彈片擊中，血染內衣。
面對強大的日本艦隊，蔡廷干毫不畏縮，指揮屬下艇隊，把日方軍旗艦艦「松島」從艦隊編隊中分割開來，自己指揮「福龍」號向「西京丸」發射魚雷，由於距離太遠而沒有命中。面對敵艦猛烈炮火的射擊，蔡氏昂然挺立在指揮台上，下令「福龍」號全速銜尾向「西京丸」急進。當逼近敵艦約三十米時，「西京丸」連發三枚魚雷，「福龍」號轉舵避開。其後，「福龍」號立即折回，全速衝向「西京丸」艦首，又發射出一枚魚雷。根據當時在艦上指揮作戰的日本海軍軍令部長樺山資紀中將的《回憶錄》文中描述：「目睹此情，本艦已無法躲避，我也只好閉目待斃。」誰知魚雷竟然從艦底穿過，其他將校也相對默然。但是因為距離太近，魚雷從艦下穿過，未能觸發，西京丸得以保全，向南駛離戰場。無奈魚雷已經用完，「福龍」艇遂全速退出戰鬥。中途救起不少墮海飄浮的北洋海軍將士。
此時，小日本艦隊還剩九艦，與北洋艦隊的八艦相對。第一遊擊隊已經迂迴到北洋艦隊的背後，與本隊策應夾攻，使北洋艦隊首尾難以相顧。由於日艦以排炮擊毀定遠的信號裝置，使其指揮失靈。
北洋艦隊諸小隊雖然只能各自為戰，隊形也凌亂不整，但將校用命，士氣未減。丁汝昌負重傷不能站立，裹傷後始終坐在甲板上激勵將士。
三時四分，定遠艦腹忽中一炮，猛烈的火焰從炸開的洞口噴出，定遠忙集中人力滅火，攻勢轉弱而火勢不減。日艦第一遊擊隊趁機駛近攻擊。鎮遠、致遠見此情形，急速向旗艦靠攏，迎戰日艦。定遠的火災終於得以撲滅，但致遠艦卻中彈纍纍。下午三時二十分，數顆榴彈同時命中其水線，並引起魚雷發射管內的一顆魚雷爆炸，右舷隨即傾斜。關鍵時刻，致遠艦因缺乏堵塞水門的橡皮，未能阻止大量海水從裂縫湧入。見此情形，管帶鄧世昌依然指揮若定，下令軍艦撞向吉野。奈何吉野用其速射炮猛烈攻擊致遠艦首，加速了艦首的下沉，最終使得致遠艦推進器懸空，大頭朝下沉沒。
據美籍海員馬吉芬記載：「瞬間，該艦即向一方傾斜。最以勇敢著稱之鄧艦長世昌，早經覺悟已迫於最期，能破敵一艦，斯可以潔此生，故毅然決然出於殺身成仁之舉。冒敵艦所發巨彈有如雨霰，加之自艦傾斜已甚，致功業成之際遽爾顛覆，艦首先行下沉，推進器直現於空中，猶在旋轉不已。惜哉，壯哉！」
鄧世昌落水後，拒絕接受救生圈，魚雷艇左一也來救助，亦不應。其愛犬游到身邊銜其臂，被他用力按入水中，自己也隨之沒於波濤中。全艦二百五十餘名中外官兵，除七人獲救外，全部葬身大海。戰後，鄧世昌之死震動了朝野，光緒帝聞其犧牲得極為壯烈，遂親筆賜輓聯「此日漫揮天下淚，有公足壯海軍威」，又作詩一首云：「城上神威炮千斤，枉資劇冠挫我軍；後來無道終許汝；
致遠沉沒後，位於北洋艦隊左翼外側的濟遠、廣甲二艦就變得孤立於本隊了。開戰後，濟遠數次中炮，傷亡十餘人，管帶方伯謙便掛出「本艦重傷」信號。後來，他看見致遠沉沒，連忙轉舵向西駛離戰區，於半夜二時許回到旅順港。廣甲管帶吳敬榮見濟遠西駛，也隨之而逃，半夜駛至大連灣外時，慌不擇路，船底觸礁擱淺。吳敬榮棄船登岸，兩天後廣甲被日艦駛近擊毀。戰後，李鴻章奏請嚴厲懲辦逃將，九月二十三日，軍機處電寄諭旨：方伯謙軍前正法，吳敬榮革職留任。次日拂曉，方伯謙被押至旅順黃金山下斬首。
濟遠、廣甲逃離後，第一遊擊隊死死咬住經遠一艦，四面圍攻。經遠以一抵四，並無畏懼，拒戰良久。林永升，左翼左營副將，經遠號管帶同左翼左營守備陳京瑩協同禦敵救火，毫不畏懼，表現極為出色，激戰中，管帶林永升頭部中炮犧牲，隨後幫帶大副陳榮也中炮壯烈犧牲，接著陳京瑩接替指揮，全艦將士戮力奮戰，不久陳京瑩也中炮陣亡，陳京瑩犧牲後，經遠水兵在沒有指揮官的情況下仍然堅持作戰。此時，四艘日艦逼近到二千米以內，用速射炮實施近距離打擊，終於將經遠擊沉。全艦二百七十餘人中，除十六人獲救生還外，其餘全部遇難。
至此北洋艦隊二主力艦沉沒、二艦逃走，只剩下定遠、鎮遠、靖遠、來遠四艘主力艦；小日本艦隊一艦重傷逃脫，尚有九艘戰艦。日本方面躍居絕對優勢。