黃海大東溝附近，中午北洋艦隊丁汝昌收到電報，奉命攻擊兩艘日本貨輪，但由於鎮遠、致遠、靖遠、濟遠號四艘艦艇，沒有經過請示就出海巡航，丁汝昌隻能帶著剩下的定遠、經遠、來遠、超勇、揚威號最後的五艘艦艇，出海攻擊。
但是這一切都是日本人早就設計好的計劃，因為此時日軍聯合艦隊正在守株待兔，隨後北洋艦隊發現中計，倉促迎戰，但是戰鬥開始後不久，北洋艦隊旗艦定遠號由於下水已經12年，加上長時間沒有保養，在發射一枚305毫米大口徑高爆彈之後，艦橋斷裂，隨後還發生小規模的炮塔爆炸，丁汝昌受了重傷，頓時北洋艦隊在無人指揮下，各自迎戰。
而日軍聯合艦隊第一遊擊隊，4艘艦艇利用航速優勢，繞攻北洋艦隊右翼兩艘老舊的軍艦超勇、揚威，在移動速度、火力、攻擊速度各種劣勢下，隨後二艦相繼被擊中引起大火，接著便直接沉沒。
而日艦旗艦吉野號也被北洋艦隊擊中起火，但很快被撲滅，繼續在戰鬥，當日本聯合艦隊，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，日本聯合艦隊本隊軍艦比睿、赤城、扶桑、西京丸遭到北洋艦隊定遠、經遠、來遠截擊。
隨後重創比睿、赤城、赤城，而赤城號艦長阪元八太郎當場陣亡，戰鬥進行到下午14時，日本聯合艦隊第一遊擊隊艦隊右角方向，北洋軍艦鎮遠、致遠、靖遠、濟遠號，突然從背後殺出繞至日本聯合艦隊的本隊背後，與北洋艦隊來遠、經遠對日艦成夾擊之勢。
日軍本隊前後同時遭到猛烈攻擊，隨後隊形混亂，在混戰之後沒有多久，日軍第一遊擊隊趕到救援，隨後北洋艦隊一直衝殺在前的致遠號受到吉野號、高千穗等的集中火力轟擊，接著多處受傷和旗艦定遠一起沉沒。
而鎮遠艦也在隨後的浴血奮戰中，因為中彈處甚多，大量海水來不及排出就隨後沉沒，經遠繼續迎戰吉野，但是由於沒有更多的高爆炮彈，隻能使用穿甲彈，但是在幾次攻擊中敵艦後，並沒有引起爆炸，隨後也多處中彈起火，隨後沉沒與大海之中，而在致遠沉沒後，濟遠管帶方伯謙下令先從海中救起的林泰曾，鄧世昌兩人之後，離開戰場朝著朝鮮方向駛去。
隨後靖遠、來遠後因中彈過多，離開戰鬥，來遠在返航途中擱淺沉沒，隨後日本海軍聯合艦隊指揮官伊東祐亨，於14時40分左右下令撤出黃海戰場，返回開始返航回日本佐世保海軍基地。
而此次戰鬥北洋艦隊以沉沒定遠、經遠、致遠、鎮遠、來遠、超勇、揚威、廣甲，八艘主力艦艇，隻剩濟遠和靖遠兩艦一逃一傷。
隨後曆時3個多小時的日本聯合艦隊與大清北洋艦隊的黃海海戰就到此結束了，大清北洋艦隊幾乎全軍覆沒，而日軍聯合艦隊僅吉野、比睿、赤城，三艦受傷這樣輕微的代價，就贏得了甲午年的這場海戰，當天夜裏，靖遠號駛回威海衛軍港，隨後北洋艦隊全軍覆沒的消息傳到了天津，李鴻章接到電報之後，連吐噴出三口鮮血，頓時病倒在家。