日本人的戰術死板了些，可是有許多精明可取之處。比清軍強悍的鄙視一處兩處，獲勝是板上定釘的事，加上義勇軍也不行。除非大清朝也搞個抗日戰爭，打持久戰，看誰拖死誰。
被抗倭義勇軍攪合了下。傷亡超過2萬人，物資，人員傷亡更是加劇了日軍的負擔。但是在大局戰略上一片大好。海軍決戰勢在必行，不能取勝，花費巨糜得不償失。
李鴻章也是非凡之人，別人又沒有能力控制指揮軍隊，在朝廷妥協下，坐鎮直隸，大罵金雨造謠生事，無事生非。
北洋海軍被日本海軍，壓著打，李鴻章的保船避戰已不可能。得了提醒裝9時，足了彈藥，於11月16號迎戰日本海軍。北洋海軍爆發了，
9時，北洋水師定遠號旗艦上掛出龍旗開始出航。
10時23分，日本聯合艦隊第一遊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。
10時30分，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，發現日本艦隊。丁汝昌隨即命令各艦升火、實彈，準備戰鬥。
12時05分，日本聯合艦隊第一遊擊隊在先，本隊在後，呈單縱陣，接近北洋水師。
12時20分，北洋水師在行進中由雙縱陣改為橫陣，旗艦定遠位於中央，其餘各艦在其左、右依次展開，艦隊呈楔形梯隊。同時鄧世昌還發出命令：「各小隊須協同行動；始終以艦首向敵；諸艦務於可能之範圍內，隨同旗艦運動之。」
12時50分，雙方艦隊相距5300米，北洋水師旗艦定遠艦首先開炮。聯合艦隊第一遊擊隊在距北洋水師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，冒險將艦隊暴露於北洋水師陣前。十秒鐘後，鎮遠艦也發出炮彈，緊接著，北洋艦隊各艦一齊發炮轟擊。三分鐘後，日本旗艦松島艦也開始發炮還擊。
12時53分，聯合艦隊旗艦松島開始發炮還擊。定遠主桅中彈，信號索具被炮火所毀（一說因戰船老朽發炮時震塌飛橋），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，硝煙瀰漫，海水沸騰。
戰鬥開始不久，北洋艦隊旗艦「定遠」艦由於下水12年，7年未修，主炮炮塔起火，丁汝昌燒傷，信旗被毀。丁汝昌拒絕隨從把自己抬入內艙，堅持坐在甲板上督戰。可是他也只能鼓一艦士氣，戰鬥剛開始，北洋艦隊就失去了指揮和聯絡。日第一遊擊隊4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，退出戰鬥。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，管帶黃建勳落水，「左一」魚雷艇駛近相救，拋長繩援之，黃不就，從容死難，艦上官兵也大部壯烈犧牲。
當日本第一遊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」、「扶桑」、「西京丸」遭到北洋艦隊截擊。
「定遠」、「來遠」、「經遠」重創日艦「比睿」、「赤城」。「赤城」艦長阪元八太郎陣亡。「西京丸」也受重創。
14時15分左右，日本艦隊繞至北洋艦隊背後，與第一遊擊隊形成夾擊之勢。北洋艦隊腹背受敵，隊形更加
混亂。在混戰中，北洋艦隊一直衝殺在前的「致遠」艦受到「吉野」、「高千穗」等的集中轟擊，多處受傷，船身傾斜。伊東祐亨令第一遊擊隊救援「赤城」、「比睿」。「吉野號」衝在最前面，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，苟沉是船，則我軍可以集事。」決意與之衝撞，同歸於盡。吉野」、「扶桑」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，3時30分，以右舷傾斜，在東經123度34分，北緯39度32分的黃海海面上沉沒。全艦官兵除七名遇救外，全部壯烈殉國。（此說法目前最接近事實，致遠艦衝向吉野號，有可能就是為了使用魚雷攻擊。也有另外的說法是致遠艦是被日艦火炮擊沉，戰前北洋水師已經把魚雷拋入海中。）
「經遠」繼續迎戰「吉野」，遭吉野、浪速、秋津洲、高千秋四艦圍攻，中叢彈起火，全艦奮勇抗禦，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後中炮犧牲。最後在浪速、吉野、秋津洲、高千秋的圍攻下經遠艦中彈纍纍，不久，「左舷艦首向水中沉下」，在東經123度40分7秒，北緯39度51分海面上，艦首向東，左舷傾覆而沉沒。全艦官兵二百餘人，除十六人遇救外，其餘全部陣亡。
「致遠」沉沒後，「濟遠」管帶方伯謙、「廣甲」管帶吳敬榮，臨陣脫逃(方伯謙等是否臨陣脫逃，近年有不同看法)。「靖遠」、「來遠」因中彈過多，退出戰鬥，避至大鹿島附近緊急修補損壞的機器。
定遠、鎮遠兩艦浴血奮戰，中彈甚多，幾次起火。
日本軍艦赤城、比睿、西京丸，吉野」、「扶桑」嚴重受損，期間旗艦「松島」也有損傷。
清國北洋海軍損失更重，鄧世昌還是死了，戰鬥時勇往直前，戰鬥中捨生忘死的精神，甚是感人。
定遠號，鎮遠艦此時集中炮擊日軍旗艦，雙方都志在氣勢，以擊沉旗艦為目標。北洋海軍將領作戰意識是好的，戰況空前慘烈。
「轟隆隆……」鎮遠艦彈藥艙發生劇烈爆炸，本來就受損，損管不利，四分五裂頃刻間沉入了渤海之中，艦上官兵無一倖免。定遠號此時也殺紅了眼睛，悍不畏死的炮擊松島艦，這時也是幸運，一發開花彈擊中鍋爐，爆炸開來，滾燙的熱水當場燙死了鍋爐兵，動力的損壞，讓松島艦靜止下來，接連被炮彈擊中。
「轟隆隆……」松島艦也步了後塵，日本聯合艦隊司令伊東佑亨被拚死護持著轉移走了。
30分鐘後北洋海軍，損失加重，無力再戰，撤出戰場。
日軍同樣無力再戰。海戰結束。
此役北洋水師雖損失較大，但並未完全戰敗。然而李鴻章為了保存實力，命令北洋艦隊躲入威海港內，不准巡海迎敵。日本奪取了黃海的制海權。