靖遠艦管帶葉祖珪在接到致遠發來的旗語後開始還感到很疑惑，“浪速”號受傷逃遁，現在正是追上去擊沉敵艦，立下頭功的好時機，可是為何要去救援沒影的濟遠呢？
考慮了一會他總算想通了，首先，現在中日兩國還未宣戰，出發前丁軍門再三囑咐切莫先開戰端，此為其一。；
其二，也是最為關鍵的是，按照英國海軍提供的情報，日本聯合艦隊已經於一天前全軍開拔，離開佐世保，此刻其艦隊主力很有可能就錨泊在不遠的地方，比如安眠島一帶。“浪速”號見勢不好早早逃離，致靖二艦即使開足馬力，全速追擊，估計也要三個小時以後才能進入交戰距離，而三個小時的航程足夠聯合艦隊主力做出反應了。
此時，黃海北部不大的海麵聚集了英、法、俄、德、美五國十幾條軍艦，其中僅英國艦隊就用7條軍艦在海麵上來回巡遊，觀察雙方的戰況。
也正因為這個原因，日本海軍的一舉一動都會被英國公使歐格納或者海軍司令斐利曼特以最快的速度通報給清軍方麵，在戰爭的前期英國方麵在外交上是偏向中國的。同樣，清軍的各種動向也被親日的美國駐北京公使通報給了日本方麵。
兩小時前，濟遠在逃避吉野二艦追擊的過程中，航向逐漸轉向西北偏北，所以正好錯過了在威海－牙山灣主航道上行駛，迎麵趕來的致遠靖遠二艦。
下午一點，鄧世昌目送高升號進入牙山灣口後下令全速向西北搜索。
下午六點，一道煙柱進入靖遠艦瞭望手的視野，不過二十分鍾後，發現這是德國駐遠東的炮艦“伊力達斯”號，隨後法國軍艦“利安門”號和英國軍艦“伯布斯”號也相繼進入鄧世昌的視野中。
三條外國軍艦發現清軍艦隊後，迅速向北側回避，十分鍾後，兩道煙柱出現了並以極快的速度相對行駛開來。
鄧世昌判斷，這一定是日艦“吉野”號和“高砂”號在擊沉濟遠後返航的途中。
鄧世昌的估計的確不錯，吉野和高砂二艦在距離濟遠二十多千米的地方開始追擊，而兩艦的速度也並不比後者快多少，所以整整花了一個下午才終於追上了濟遠艦。
在2000多米的距離上，濟遠繼續以精準的火力打擊日艦，不過王國臣發現，無論開花彈還是穿甲彈都無法對衝在前麵的吉野號造成什麼損失。開花彈命中舷側後雖然也會爆炸，但並不能像攻擊浪速號那樣炸開一個大洞，據他觀察也就僅僅炸掉一些表麵的油漆而已；至於穿甲彈也根本難以穿甲，甚至留下的彈坑也小到難以令人發現。
日軍在火炮的命中率方麵比清軍有著較大差距，不過仗著火炮多，射速快迅速占據了上風，濟遠後艙和尾炮先後被命中，人員損傷慘重，王國臣右臂被消掉一半，抵抗隨即停止。
濟遠艦雖然是穹甲船型，但是設計上有很大缺陷，其穹甲頂部位於水線以下，所以舷側進水後，浮力下降很快，艦體迅速下沉。
大約六點鍾時候，濟遠艦已經徹底沉沒了，部分水兵被日艦救起，河源要一帶著包括艦長方伯謙在內的幾十名俘虜興高采烈的下令返航。
盛夏時節，天長得很，七點多鍾時候，落日的餘輝映紅天邊的晚霞，空蕩蕩的海麵上還保留著相對不錯的能見度。
清日艦隊相遇後，雙方均轉舵向南，日艦為了逃跑，而清軍則是想全力阻截。
河源要一部下的水兵們從清晨六點一直緊張的工作到此刻，均已十分疲倦，尤其是管輪和司爐兵們早已經累得透支，有不下五人由於連續高溫而休克過去。
雖然彈藥充裕，軍艦也未受傷，不過河源看了看天色還是決定全力擺脫清軍，迅速返航。此地距離威海衛過近，他擔心清軍主力會突然趕到。
不過吉野高砂二艦的航速和致遠靖遠相當，因此經過幾次轉向後，致遠依然穩穩的壓了吉野一頭，兩支艦隊同時向東行駛，距離則越來越近。