日軍侵占旅順，屠殺當地百姓金旅之戰也開始於10月24日，至11月22日旅順口陷落，這是甲午戰爭期間中日雙方的關鍵一戰。日本第一軍進攻鴨綠江清軍防線的同一天，大山岩大將指揮的第二軍兩萬五千人在日艦掩護下，開始在旅順後路上的花園口登陸。日軍的登陸活動曆時十二天，清軍竟坐視不問。11月6日,日軍進占金州(今遼寧金縣)。7日，日軍分三路向大連灣進攻，發現清軍早已潰散，不戰而得大連灣。日軍在大連灣休整十天後，開始向旅順進逼。當時旅順地區清軍有七統領，道員龔照瑟璵為前敵營務處總辦，有“隱帥”之稱，共轄三十三營，約一萬三千人。18日,日軍前鋒進犯土城子，徐邦道指揮拱衛軍奮勇抗禦，將日軍擊退。是日，龔照璵竟置諸軍於不顧，乘魚雷艇逃往煙台。19日，黃仕林、趙懷業、衛汝成三統領也先後潛逃。21日，日軍向旅順口發起總攻。22日占領旅順口並血洗全城。
軍占領劉公島的海軍公署隨著清軍節節敗退，在清廷內部，主和派已占上風，大肆進行投降活動。旅順口失陷後，日本海軍在渤海灣獲得重要的根據地，從此北洋門戶洞開，北洋艦隊深藏威海衛港內，戰局更加急轉直下。
第三階段，從1894年11月22日到1895年4月17日。在此階段中，戰爭在山東半島和遼東兩個戰場進行，有威海衛之戰和遼東之戰。
威海衛之戰是保衛北洋海軍根據地的防禦戰，也是北洋艦隊對日的最後一戰。其時，威海衛港內尚有北洋海軍各種艦艇二十六艘。1895年1月20日，大山岩大將指揮的日本第二軍，包括佐久間左馬太中將的第二師團和黑木為楨中將的第六師團，共兩萬五千人，在日艦掩護下開始在榮成龍須島登陸，23日全部登陸完畢。30日，日軍集中兵力進攻威海衛南幫炮台。駐守南幫炮台的清軍僅六營三千人。營官周家恩守衛摩天嶺陣地，英勇抵禦，壯烈犧牲。日軍也死傷累累，其左翼司令官大寺安純少將中彈斃命。由於敵我兵力眾寡懸殊，南幫炮台終被日軍攻占。2月3日日軍占領威海衛城。威海陸地悉被敵人占據，丁汝昌坐鎮指揮的劉公島成為孤島。連日來，日軍水陸兩路配合，先後向劉公島和威海港內北洋艦隊發動八次進攻，均被擊退。在此期間，日本聯合艦隊司令伊東祐亨曾致書丁汝昌勸降，遭丁汝昌拒絕。5日淩晨，旗艦定遠中雷擱淺，仍做“水炮台”使用，繼續搏戰。10日，定遠彈藥告罄，劉步蟾下令將艦炸沉，以免資敵，並毅然自殺與艦共亡。11日，丁汝昌在洋員和威海營務處提調牛昶曬等主降將領的脅迫下，拒降自殺。日島炮台遺址洋員和牛昶曬等又推署鎮遠管帶楊用霖，出麵主持投降事宜。楊用霖拒不從命，自殺殉國。12日，由美籍洋員浩威起草投降書，偽托丁汝昌的名義，派廣丙管帶程壁光送至日本旗艦。14日，牛昶曬與伊東枯亨簽訂《劉公島降約》，規定將威海衛港內艦隻、劉公島炮台與島上所有軍械物資，悉數交給日軍。17日，日軍在劉公島登陸，威海衛海軍基地陷落，北洋艦隊全軍覆沒。
遼東之戰持續的時間很長。自日軍突破清軍鴨綠江防線後，連占鳳凰城、岫岩、海城等地。清政府調兩江總督劉坤一為欽差大臣督辦東征軍務，授以指揮關內外軍事的全權，並任命湖南巡撫吳大和宋慶為幫辦，以期挽回頹勢。從1895年1月17日起，清軍先後四次發動收複海城之戰，皆遭挫敗。2月28日，日軍從海城分路進犯，3月4日攻占牛莊，7日不戰而取營口，9日又攻陷田莊台。僅十天時間，清朝百餘營六萬多大軍便從遼河東岸全線潰退。