在牙山、丰岛，大清陆海军接连失利，朝廷震怒。1894年8月10日，日本联合舰队迫近威海卫，已经欺负到家门口来了，光绪皇帝严厉斥责北洋大臣李鸿章和北洋水师提督丁汝昌作战不力。无奈之下的李鸿章不得不命令北洋舰队赴黄海巡航，以平息皇帝之怒，缓解舆论压力。9月12日，北洋水师主力从威海卫军港出发，赴鸭绿江口的大东沟护送陆军登陆支援平壤作战。

与北洋水师在战略上“保船制敌为要”不同，日本海军在战争前就制订了以舰队决战夺取黄、渤海制海权为目标的作战计划。当联合舰队护送援军登陆仁川的行动完成后，9月13日，联合舰队本队和第一游击舰队开赴鸭绿江口附近海域，搜寻北洋水师主力决战。

9月15日，北洋水师主力在丁汝昌率领下，护送5艘运兵船到达大连湾。运兵船上有铭军4000人、马400匹、炮80门。晚上，船队在大东沟外20公里处下锚宿营。

9月16日，北洋水师抵达鸭绿江口之大东沟。部分舰艇担任警戒，其余10艘主力舰在20公里之外的大鹿岛东南下锚。9月17日8时，运兵船卸载完毕，完成护航任务的北洋舰队准备返航。

自丰岛海战以来，北洋舰队全体官兵士气高昂。当时任“镇远”副管驾的美国退休海军少校马吉芬在日记中写道，舰队官兵渴望与日本舰队决一死战，“以雪‘高升’和‘广乙’之耻，士气旺盛，莫可言状”。

9月17日上午10时23分，联合舰队第一游击舰队率先发现了因使用劣质燃煤而冒出滚滚浓烟的北洋水师，迅疾发出“东北方向发现三艘以上敌舰”的信号。上午11时30分，北洋水师“镇远”的桅楼上的瞭望哨也发现了逐渐逼近的日本舰队。

12时05分，联合舰队以“吉野”为首，第一游击舰队在先，本队在后，呈单纵阵接近北洋水师。鸭绿江口外海大鹿岛海域集中了远东两支最大舰队的几乎全部主力舰艇，空气骤然紧张，大战一触即发。

12时20分，北洋水师在行进中由双纵阵改为横阵。旗舰“定远”位于中央，其余各舰在其左右依次展开，舰队呈楔形梯队，类似倒“V”字形。主要原因是位于阵型左右翼的战舰“济远”“广甲”“超勇”“扬威”都是航速缓慢的老舰，跟不上大队的节奏。在阵型尚未完全展开的情况下，战斗已经打响。

12时50分，北洋水师旗舰“定远”首先开炮，联合舰队第一游击舰队在距北洋水师5000米处向左转弯，航向北洋水师右翼，冒险将舰队暴露于北洋水师的炮火打击之下。

12时53分，联合舰队旗舰“松岛”开始发炮还击。“定远”主桅中弹，信号索具被炮火所毁，在飞桥上督战的丁汝昌身负重伤。可以说，从大东沟开始，一直到1942年6月4日的中途岛，在长达半个世纪的时间里，幸运之神一直眷顾着日本。随后，日俄战争中的黄海海战、对马海战，日军都是在最短的时间内使得敌方主帅阵亡或负伤，失去指挥舰队的能力。

遗憾的是，丁汝昌事先竟然没有指定自己的代理人，使得整个战斗过程中，北洋舰队实际上处于群龙无首的乱战状态。直到海战即将结束时，“靖远”的舰长叶祖珪才主动升旗代为指挥。不知道在后面几小时的战斗中，连东乡平八郎都敬佩不已，远远见了都要敬礼的舰队二把手刘步蟾、三把手林泰曾都干什么去了。

当双方舰队进至相距约3000米时，日本第一游击舰队4艘快速战舰一面以猛烈炮火射击，一面加快速度左转舵绕攻北洋舰队右翼“超勇”“扬威”两艘弱舰。

此时，日本舰队本队其余六艘舰只恰好驶至北洋舰队倒“V”字形的前方，北洋舰队各舰舰首恰恰指向敌舰船腹。于是北洋舰队各舰以舰首主炮猛烈轰击敌本队六舰。由于“比叡”“扶桑”“西京丸”“赤城”等几艘速度较慢的舰只落后，日舰队被北洋舰队拦腰截断、分割为二。“定远”“镇远”及右翼各舰发右舷炮火猛轰敌主力舰“松岛”“千代田”“严岛”“桥立”，左翼“致远”“靖远”等舰则发左舷炮火截击“比叡”“赤城”等后续各舰。此时除了右翼“超勇”“扬威”之外，北洋舰队主力各舰均处于较为有利的位置并全力开炮。

落在最后的“比叡”“赤城”遭到北洋舰队的痛击。“比叡”被打得走投无路，冒险闯入北洋舰队阵中，企图在“定远”和“靖远”之间500米的间隙中穿过，走小路与大队会合，结果陷入“定远”“镇远”“广甲”“济远”等舰的包围之中。北洋舰队平时表演被李鸿章称为“十六中十五”的神奇射术，这时在战场上却消失得无影无踪。4艘大舰围着一艘近在咫尺的小舰猛轰，仍然让受到重创的“比叡”在熊熊烈火中冲出重围。幸运脱离险境的“比叡”迅即打出了“本舰退出战列”的信号逃离战场。

北洋舰队左翼各舰又以800米近距离猛轰“赤城”。正在舰上观看海图的舰长坂元八郎太海军少佐被击中头部，鲜血及脑浆喷洒在海图台上，当场毙命。随后，代理舰长佐藤铁太郎也被击伤。在弹雨中，舰上军官几乎全被击毙。“赤城”仓皇逃出作战区域，宣布退出战场。注意，这个“赤城”可不是半个世纪之后南云舰队的旗舰航空母舰“赤城”，那个横行霸道的“赤城”绝对不至于如此窝囊。

代理舰长佐藤铁太郎侥幸活命，后来成为日本海军第一战略家，和秋山真之一起被称为“海军两参谋”。他所著的《帝国国防史论》一书，成为日本早期海权战略的代表作，他后来还长期担任海军大学的校长。

除“比叡”“赤城”外，日本其他舰只“吉野”“浪速”“高千穗”“秋津洲”“西京丸”也先后中弹，损伤并不严重。在这一阶段，北洋舰队稍占上风。

但是右翼两艘弱舰“超勇”和“扬威”却在日军第一游击舰队的攻击下渐渐不支。14时23分，“超勇”没入海中，舰长黄建勋落水。大清“左一”鱼雷艇冲上去扔出了救援索，黄建勋甩开绳子，拒绝援救，自沉于海。随后，“扬威”也在敌舰的密集炮火下沉没，船上65人被鱼雷艇救起，舰长林履中投海自尽。

此时，原停在大东沟口外的“平远”“广丙”两舰及众鱼雷艇也应召前来助战，驶到北洋舰队右翼后方时恰好与日本本队相遇，各舰立即向日舰发起攻击。14时34分，“平远”的炮弹先后命中日军旗舰“松岛”，随后又发炮击中“严岛”。但“平远”亦被日舰击中起火，被迫暂避，“广丙”也随之退出战场。

这时，日舰本队已驶过北洋舰队右翼，继续向右转舵，绕至北洋舰队背后，与第一游击舰队形成对北洋舰队的夹击之势。度过了艰难开局阶段的日本舰队开始逐渐占据上风，北洋舰队被迫处于内线作战，腹背受敌，转趋不利地位。

虽然形势不利，但北洋舰队广大官兵毫不畏缩，反而愈战愈勇。提督丁汝昌重伤不下火线，裹伤后坐于甲板上鼓舞士气。日本临时改装的武装商船“西京丸”接连中炮，需要人工操舵才能勉强行驶。蔡廷干驾“福龙”鱼雷艇抵近“西京丸”在40米的距离上发射鱼雷，这几乎相当于把枪抵在脑袋上射击，“西京丸”已在劫难逃。在船上督战的日本海军军令部部长桦山资纪中将已经闭上了眼睛：“吾命休矣。”谁知因为距离太近，鱼雷竟然从舰下穿水而过。桦山资纪死里逃生。后来桦山资纪心有余悸地对伊东祐亨说：“鱼雷冒着气泡钻到船底下那情形，真的是比什么都恐怖呀！”

日军第一游击舰队在击沉“超勇”和“扬威”之后，也加入了对北洋舰队主力的围攻。激战中，“定远”的前部被日舰“扶桑”击中，燃起大火。见此情景，日舰立即群起向“定远”扑来。“镇远”“致远”立即上前掩护，为“定远”争取灭火时间。

早已伤痕累累的“致远”以一敌四，炮弹几乎耗尽。这时，“致远”恰与日舰“吉野”相遇。舰长邓世昌当即下令直冲“吉野”，准备与之同归于尽。日本官兵见状大惊失色，集中炮火向“致远”射击。“致远”舰右侧鱼雷发射管被击中引起大爆炸，15时30分在东经123度34分、北纬39度32分的黄海海面上沉没。舰上官兵除7名遇救外，其余全部壮烈殉国。

邓世昌坠海后，随从刘忠跳入海中，以救生圈援救，使之浮出水面。邓世昌以“阖船俱没义不独生”，仍复奋掷自沉。其爱犬“太阳”游至身边，“衔其臂不令溺”，世昌挥之不去，并以口衔其发辫，邓世昌用力按犬首于水，自己也沉没于汹涌的波涛之中。这一天，正好是邓世昌45岁的生日。

邓世昌壮烈殉国的消息传到国内，光绪帝大受感动。当即亲笔书写挽联“此日漫挥天下泪，有公足壮海军威”，赐予其“壮节”谥号，追封“太子少保”，入祀京师昭忠祠。清廷还赐给邓母一块用1.5公斤黄金制成的“教子有方”大匾。甲午战争结束后，山东民众自发集资在荣成成山头始皇庙为邓世昌塑像并修建祠堂，每年都举行祭祀活动。百年后，1996年12月28日，中国人民解放军海军将一艘新式远洋综合训练舰命名为“世昌”号，以示纪念。

“致远”沉没后，附近的“济远”和“广甲”立即成为日舰的重点打击目标。“济远”的舰长方伯谦见势不妙，立即打出“本舰受重伤”的信号旗，迅速逃离战场。“广甲”与“济远”编为一队，舰长吴敬荣见方伯谦撤退，随之跟着逃跑。因为害怕敌舰追赶跑得太快，慌不择路的“广甲”在大连湾三山岛外触礁搁浅。吴敬荣弃舰，率领舰员登岸逃命。

海战结束之后，丁汝昌派“济远”拟将“广甲”拖回港内，但当时几艘日舰也即将赶到，“济远”急忙退回大连湾，“广甲”被日舰发炮击沉。但也有说法，“广甲”是被“济远”主动炸毁的。

值得一提的是，“广甲”登岸逃命的水兵中有一个“二管轮”。甲午战争结束后，北洋舰队随之被解散，失业的“二管轮”无奈弃船登岸，转去投奔老领导张之洞。树挪死，人挪活。“二管轮”之后飞黄腾达，步步高升，最后竟然当上了中华民国政府的大总统，他就是后来大名鼎鼎的黎元洪。

日本第一游击舰队开始集中火力围攻“经远”。“经远”以一敌四，很快中弹起火。舰长林永升临危不俱，指挥全舰奋勇抗御。炮战中，林永升“突中敌弹，头裂阵亡”。16时40分，“经远”舰首向东，左舷倾覆，最后在庄河黑岛南老人石海礁附近沉没。全舰除16人获救外，200多人壮烈殉国。

在这一阶段，北洋舰队的“超勇”“扬威”“致远”“经远”4艘舰先后沉没，“济远”“广甲”相继遁逃，共失去6艘舰，战斗力大减。日本方面虽然“比叡”“赤城”“西京丸”退出战斗，但这三舰均系弱舰，不仅对舰队战斗力影响不大，反而使日本主力舰队无须再分散力量保护弱舰，实际上等于减轻了负担，得以轻装上阵。这样，日本由第一阶段的劣势转为优势，战局的发展变得对日本极为有利。

在最后阶段的海战战场上，北洋舰队坚持战斗的只有“定远”“镇远”“来远”“靖远”4艘舰。日本则尚有“吉野”“高千穗”“秋津洲”“浪速”“松岛”“千代田”“严岛”“桥立”“扶桑”等9艘舰。日本以本队围攻“定远”“镇远”，以第一游击舰队围攻“来远”“靖远”。

“来远”“靖远”在围攻下相继起火。为了摆脱包围和灭火，两舰一直冲到大鹿岛附近，依据有利位置背靠浅滩进行防守。日舰尽管占尽上风，一时竟也无可奈何，战局暂时陷入僵持状态。

在原来的主作战海域，日本本队像一群野狼一样围住“定远”“镇远”猛攻。但由于出色的德制装甲保护住要害部位，两艘巨舰虽然身中无数炮弹，上层建筑的非装甲部位被打得如同蜂巢一般，却仍是巍然屹立，奋勇反击。日军官兵无不变色。15时30分，“镇远”的主炮击中日军旗舰“松岛”，造成“松岛”的舰体倾斜，烈焰冲天，甲板上血肉横飞，当场死伤达84人。情急之下，伊东祐亨甚至将军乐团的乐手都拉出来充到战斗岗位。由于“松岛”基本丧失了战斗力，伊东祐亨被迫将旗舰转移到“桥立”上。

17时，“来远”“靖远”扑灭大火之后，恢复了战斗力，并召集“广丙”“平远”以及鱼雷艇队重返主战场，北洋舰队气势益盛。战至17时30分，日落西山，伊东祐亨面对怎么打也打不沉的“定镇二远”，也逐渐丧失了信心。加上看到日舰基本上也是伤痕累累，又害怕鱼雷艇趁着夜色进行偷袭，随即下令全速向南退却。

此举等于放弃了一举歼灭北洋舰队的最佳时机。伊东祐亨这种“没见好就收”的痼疾，整整传染了半个世纪，染病的包括后来的东乡平八郎、南云忠一、三川军一、栗田健男等海军名将，后文详叙。

“靖远”的舰长叶祖珪知道“定远”桅楼被毁，丁汝昌已经无法指挥，遂主动代替旗舰“定远”升旗集队。眼看日本舰队开足马力，“向西南一带飞驶遁去”，刹那间已跑出去很远，支离破碎的北洋舰队也只好收队，驶回旅顺口。至此，大东沟海战，也就是我们通常所说的“甲午海战”，宣告结束。

在整个战斗过程中，日军的速射炮以及航速优势发挥得淋漓尽致。以至于当时如日中天的战略家马汉后来评论，中日大东沟海战就像是步兵和一支没有步兵保护的炮兵在作战。步兵在摧毁了敌人大量炮兵之后，主动撤出战场，而炮兵却因为缺乏机动性无法追赶。

历时5个多小时的大海战中，北洋水师损失“致远”“经远”“超勇”“扬威”“广甲”5艘军舰，“来远”受重伤，伤亡官兵600多人。日舰队“松岛”“吉野”“比叡”“赤城”“西京丸”5舰受重伤，伤亡239人。尽管损失比日军为大，但“定远”“镇远”尚在，可以说北洋舰队实力尚存。可惜的是，在李鸿章“力主避战保船”的指导方针之下，北洋水师先是退回旅顺，继而转向威海，从此不再出战。等于拱手向日本海军让出了黄海的制海权。

之前早就开跑的“济远”早于大部队4个小时回到旅顺军港。方伯谦称军舰上的所有火炮均已损坏，不能战斗。丁汝昌派洋顾问戴乐尔登船检查，戴乐尔的回话是，“济远”的火炮不像被火炮击伤，而像是用炮锤自行砸坏的（据说目前保存在刘公岛中国甲午战争博物馆的“济远”舰主炮上相应部位确实存在砸痕）。此举彻底激怒了李鸿章和丁汝昌，立即下令将方伯谦革职逮捕下狱，收押看管。李鸿章上奏朝廷，请求对其严加处置。

“镇远”的舰长林泰曾念在多年的同学面上，还想联合刘步蟾为方伯谦说情，被刘步蟾断然拒绝。起初方伯谦还觉着没事，因为他是总兵职务，在大清国历史上，几乎没有这种高级职务被判死刑的。等到死刑判决书下来之后，方伯谦才慌了。他甚至托人让远在东北的老将宋庆为他求情，谁知道宋庆听到后说：“可惜我没有海军的生杀大权，要是有，7月份早就把你个兔孙宰了，还能让你误国到现在？”1894年9月29日凌晨5时，方伯谦在旅顺黄金山下大船坞西面的刑场上被斩首。

一跑“丰岛”，二跑“大东沟”，本来方伯谦也具备竞争一个“跑跑”榜位置的基本条件，但是宝贵的位置依然不能给他，理由同叶志超。

大东沟海战的失利使得李鸿章和丁汝昌再次成为众矢之的。自觉脸上无光的李鸿章只得上奏朝廷，引咎自责。光绪帝和翁同龢虽然恨死了李鸿章，但值此用人之际，除了李鸿章，还真没人能够支撑危局。光绪帝只好下令将李鸿章“拔去三眼花翎，褫去黄马褂”，责令其戴罪立功。

与此相对应，大东沟海战胜利的消息传回日本，举国欢庆。明治天皇除了颁布诏书嘉奖之外，还亲自作歌《黄海大捷》，以示勉励。看来这睦仁会的还真不少啊。