北洋舰队指挥官丁汝昌发现日舰成“单行鱼贯阵”扑来，马上转换思路，采取主舰居中的“夹缝雁行阵”（交错配置的双横队）应对。但由于旗舰“定远”舰航速过快，“济远”、“广甲”等舰未能及时跟上，阵形因此成为半月形而类似“后翼梯阵”。
12点50分，中日海军在大鹿岛（大洋河口外）西南3海里处同时开火。“定远”号首先发主炮对日军攻击，其余各舰紧随其后陆续开炮，但炮弹出去后却连日本军舰的影子都没有碰到。厄运突然降临，“定远”发炮后，炮弹突然炸膛，震塌船上的飞桥，丁汝昌被掀翻到三米的高空，摔到地上时已不能动弹，同时信旗被毁，各舰失去统一指挥。日本海军第一游击队4舰陆续以其右舷速射炮猛轰“扬威”、“超勇”，二舰厄运当头，被击中后掉头跑掉。日舰“吉野”也被北洋舰队击中起火，但火势不大，很快扑灭。下午一点半左右，“超勇”被击中沉没。
当日本第一游击队绕攻北洋舰队右翼时，本队也与北洋舰队主力交相攻击。比较倒霉的是日本军舰“比睿”、“赤城”号，它被北洋舰队截住痛殴。“定远”、“来远”、“经远”重创“比睿”、“赤城”。“赤城”舰长坂元八郎太当场被炮弹击中毙命。“西京丸”也受重伤。不过，日本舰队的航速快、便于机动的优点拯救了它们，第一游击队和本队互相配合，至下午两点十五分左右，本队已绕到北洋舰队背后，和第一游击队共同对北洋舰队完成前后包围，北洋舰队腹背受敌，队形更比从前混乱起来。在混战中，“致远”舰多处受伤，船身倾斜。伊东祐亨令第一游击队救援“赤城”、“比睿”。“吉野”冲在最前面，正遇上“致远”。管带邓世昌见不得“吉野”如此猖狂，下令开足马力，准备用冲角撞击“吉野”，希望能和敌人同归于尽。但老天爷不保佑，邓世昌的战舰被日本军舰发射的鱼雷击中，船上250名官兵全部壮烈牺牲。
“经远”始终坚挺着，和“吉野”号互相殴打，可惜，它的运气也不太好，中弹起火，管带林永升阵亡，随后，“经远”也沉入海底。“致远”沉没后，“济远”管带方伯谦、“广甲”管带吴敬荣，贪生怕死，临阵脱逃。“靖远”、“来远”因中弹过多，退出战斗，避至大鹿岛附近紧急修补损坏的机器。在“致远”、“经远”等舰同第一游击队激战的同时，“定远”、“镇远”两舰正负隅顽抗着日舰本队的围攻，虽中弹无数，数次起火，全体官兵的斗志却越挫越勇，精神的力量使他们在重伤的情况下重创了日本旗舰“松岛”号，打死打伤炮台指挥官海军大尉志摩清直以下100多人。一个多小时后，之前退出战场修理的“靖远”、“来远”重新投入战斗。
然而，它们的到来无济于事，“靖远”帮带大副刘冠雄见“定远”号旗桅杆断裂，不能升旗指挥，建议管带叶祖珪代悬信旗集队，指挥各舰绕击日舰。这时，日旗舰“松岛”已经瘫痪，“吉野”也丧失了战斗力，其余日舰也都伤亡惨重，不能再战，又见北洋舰队重新集队，伊东祐亨便于17时40分左右下令撤出战场。北洋舰队稍事追击，但刚才被打得头晕脑胀，所以急忙收队返回旅顺。
至此，历时5个多小时的黄海海战结束。北洋舰队龟缩到了根据地威海卫，黄海、渤海的制海权全被日军掌控。
但它的厄运远没有结束。
1895年1月20日，日本大将大山岩大指挥的日本第二军，包括佐久间左马太中将的第二师团和黑木为桢中将的第六师团，计为两万五千人在日本军舰掩护下开始在荣成龙须岛登陆，23日全部登陆完毕。当时，北洋舰队在威海卫港内尚有各种舰艇二十六艘，实力仍不可小觑。
1月30日拂晓，日军对威海卫南岸的制高点摩天岭发动攻击。在这里的清军一个营奋起抵抗，港内北洋舰队的“定远”、“镇远”、“来远”等舰也驶至南岸助战。日军经过苦苦争夺，终于攻克摩天岭炮台。
日军攻占摩天岭炮台后，用炮台的大炮掩护右翼队向杨枫岭进攻。杨枫岭守军一营，在副将陈万清指挥下，抗击数倍于己的敌人，自上午8时至11时，激战3小时，打退了日军多次冲锋，予敌以重大杀伤。敌军冲不上去，就集中炮火疯狂轰击。炮台周围的树木被击中起火，弹药库也被击中，炮台上烈焰升腾，守军伤亡过半，被迫撤退，杨枫岭炮台被攻陷。
当日军右翼队进攻南帮炮台时，左翼队也向南帮陆路炮台南侧的虎山发起进攻，企图一举攻克虎山，再向北推进，切断南帮炮台清军退路，配合右翼队实行南北夹击。驻守虎山的两营清军奋勇杀敌，炮兵也配合轰击，使日军伤亡惨重。后来，清军由于指挥官刘树德贪生怕死，弃军逃跑而自行溃散，虎山失陷。日军攻占虎山后，向北推进到风林集，切断了由南帮炮台撤下来的七八百名清军的退路。在这紧急关头，海军提督丁汝昌亲自指挥靖远、镇南等4艘炮舰驶到南岸杨家滩附近，用排炮向日军轰击，日军不支，仓惶逃走。被围清军在陈万清率领下突围。
日军攻下南帮陆路炮台后，立即对龙庙咀、鹿角咀、皂埠咀3座海岸炮台进行海陆夹攻。日军首先进攻龙庙咀炮台，守台的40名清军奋勇抵抗，终因寡不敌众，全部壮烈牺牲。
日军占领龙庙咀炮台后，立即利用炮台上的大炮向鹿角咀炮台轰击，炮台外的长墙被炮火摧毁，日军从缺口蜂涌而上。炮台守军没有近射武器，无法抵抗，炮台被攻占。日军又利用从杨枫岭、龙庙咀、鹿角咀等炮台上夺取的清军大炮，轮番猛轰皂埠咀炮台。为使炮台上的6门15—28公分口径的大炮不致被日军用来威胁刘公岛炮台和港内北洋舰队，丁汝昌派鱼雷艇载敢死队前往炮台毁炮。
1月30日，日军第二师团进攻凤林集，被北洋舰队的排炮轰退。
2月1日，日军慑于北洋舰队的炮火威力，不敢沿海岸线进攻威海卫城，而采取从西路迂回的战术。2日，日军探知威海卫城内清军已全部撤退，遂占领该城，并分兵进攻北帮炮台。由于守将戴宗骞贪生怕死，6营守军先后解散或溃散。丁汝昌只好下令炸毁药库。日军不战而占领了北帮炮台。
威海卫南北海岸炮台既失，日军便以全力进攻刘公岛、日岛炮台和港内的北洋舰队。
面对日军的海陆夹击，北洋舰队和刘公岛、日岛守军，在丁汝昌的率领下，奋勇抵抗。双方炮战终日，日舰始终未能靠近港口。
2月4日和5日，伊东祐亨进行鱼雷艇夜袭，击沉北洋舰队的定远、来远、威远等舰，削弱了北洋舰队的实力。
2月7日，日舰以单纵阵向刘公岛、日岛发动进攻。岛上守军奋勇还击。这一天，守军苦战终日，虽然打退了日舰进攻，却被迫放弃了日岛炮台，损失了全部鱼雷艇，形势更加严峻了。
2月8日夜，日舰偷袭刘公岛东口，用炸药爆炸防材，使东口藩蓠尽撤，门户洞开。
在日军围攻日急、援军绝望、军心不稳的情况下，刘步蟾、丁汝昌、张文宣、杨用霖等先后服药自杀。12日，美籍船员浩威盗用丁汝昌名义致书日本乞降。
17日上午，日军正式占领威海卫，将北洋舰队的舰船俘获，插上日本旗，北洋舰队全军覆没，山东半岛之战结束，北洋舰队也彻底结束。
甲午海战期间，京外臣工先后条陈对策，积极主战，汇聚成为一股清流。现在看来，大多数属书生论政，天方夜谭，但他们能先时而发，知无不言，言无不尽，正印证了中国文人士大夫在为难之时的节操。
中国古语云，知己知彼，百战百胜。甲午事起，日兵的调度及其战略，自然受到朝廷一些人的注意。在礼部右侍郎志锐看来，日本与英法用兵不同：“日本人进攻韩牙山被击退后，据说主力部队还有一万六千人，他并未用这支主力去攻击咱们，是因为知道朝鲜平壤有咱们的军队。如果他们攻击咱们，汉城空虚，很担心我军一鼓而下，所以只是以重兵守汉城，沿途设置军事据点，以守为攻，目的是想使我军疲惫。他们开始时在威海和旅顺开了几炮，不过是试探性攻击，只是想知道我们的大炮能打多远，我们的防守阵地有多坚固而已。”所以，他认为日本就像海盗，诡诈多，必须要时刻防范他以后的动向。
侍读学士（皇家秘书）文廷式说，日本人用兵的方法是从德国那里学来的，因为朝廷和日本人交过手，那么按照德国的用兵策略，他觉得应该，“广筹善法良图，为久持之势。”但这是空话，什么是良图，当时的大清政府根本不知道。
水师教导员琅威理在给李鸿章的信中道：“中国言战，可百年不匮；若倭人战，不十年必亡灭矣！”
在这种分析下，翰林院检讨陈存懋具呈，请饬总兵刘永福统领旧部，直捣日本，闽浙总督谭钟麟、台湾巡抚邵友潦、布政使唐景崧筹备军火，以为接应。他们“运筹帷幄”道：“刘永福之军冲其前，福建、台湾接应之军踵其后，日本鬼子肯定自救不暇，必撤兵回援。”
在刑部侍郎陆学源的折子里，颇能看出这种方法是有许多人响应的：“光绪五年（1879），倭人夺取我琉球，改为冲绳县，从此夜郎自大，总在朝鲜惹事。现在既然已经因为朝鲜二发生战争，我们绝不能被吓住，应该命令正在越南的刘永福带领海军由台湾越姑米洋，直抵那霸，进捣琉球，收我失地，日本人肯定回师救琉球，这就是围魏救赵之策。”
与其相呼应的是福建道监察御史安维峻。这位文士建议相机进剿，将海军船只分拨一半，直捣日本海口，则日军必撤回自救。掌湖广道监察御史蒋式芬则指出，海疆万里，处处设防，布置难周，应采“伐楚救江”之计，密遗水师骚扰日本沿海，飘忽不定，使其枕席不安，有反顾之虞，以劳其师，而自形委顿，亦为兵法上策。
吏科给事中余联沅，密陈直捣日本之策，认为兵贵制人，直捣长崎、横滨之师，最为上著。翰林院侍讲学士、四川学政瞿鸿矶提出，以海军为正兵，直逼朝鲜王城，以沿海渔船、商船为奇兵，三路潜攻日本，使其顾救不暇。
户科给事中洪良品见时局艰困，为扶危救急，曾密陈直捣日本之计。
其奏折谓：日本疆域，分八道六十六州，看上去吓人，其实，他是岛国，土地贫瘠，外强中干，这样的蕞尔小国本应该安分守己，所以敢千里奔袭我国，是因为看到我国武备废弛，人人都不想打仗只想讲和。现在战争既起，我们绝不能坐以待毙。日本北为对马岛，与山东的登州遥遥相望，南边是萨峒岛，与浙江的温州、台州遥遥相望。它的长崎一岛，与浙江的普陀东西对峙。厦门到长崎，北风由五岛入，南风由天堂入，五天时间就能抵达，既然他们能来打我们，我们也能去打他们。他们能渡鸭绿江而西来，我们也可以渡对马岛而东去。现在，他们倾巢而出，大本营必然空虚，我们只需要勇武士兵二万人，直直捣日本，扰其长崎、鹿岛、横滨、神户等处，径逼王京，它必回师救援，我们的陆军再在他们回去的路上设下埋伏，必然会把他们一网打尽，要他们知道中国不是那么好欺负的。洋洋洒洒一大堆，这些人却忘记了当时朝廷的腐败已经无兵可派，无人可遣了。江南道监察御史张仲忻就说，“时已无可战之船、无可任之将”，他奏请罗致闽粤渔民商船，潜行骚扰日本沿海港口。此外，他还多次以整顿海军，攻其所必救为请。
光绪二十年（1894）十二月间，张仲忻又奏请饬令刘坤一总统海军，分为数队，以一队隶南洋而扰日本，以一队驻北洋而保京畿，以剩余的军舰为游击救应之师，水陆并举，以期收复失去的城池。
光绪二十一年（1895）正月十四日，他又给皇帝上书分析说：“日本倾国而来，是因为他们不担心咱们的海军攻击他，现在如果用海军去攻击他，他必然失败。”
然而，他自己也知道，在无可战之船，无可任之将，海战节节失利的情势下，劳师袭远，实不足恃。即使派出军队，也只能是徒劳无功。
大概是在直捣日本计划根本不可能实现的情况下，有人提出了持久作战计划。候补上事王荣先、鲍心增分析胜负的形势说：“日本蕞尔小国，像个小孩，气力有限，绝不能持久，但我中国地大物博，千百年的战争历史都验证了，人材愈战愈多，兵力愈战愈强。我们绝不应该向他们议和，应该跟他们打持久战，让他们疲惫不堪之下，自动投降。”
这意思是说，中国地大物博，兵源充足，长期抗战，可以转败为胜。两江总督刘坤一也主张长期作战，认为“现在既然已经打起来了，那就给他点颜色瞧瞧，即使短时间内我们处在下风，但只要坚持就能得到最后的胜利，因为日本国小民贫，根本支撑不了长期战争。”
翰林院编修丁立钧条陈和战利弊时，估计日本所能相持的时间，不出四五个月，中国当通筹战守之策，静以制动，坚持长期作战，俟其势穷力屈求和，就是所谓一劳永逸的办法，否则轻易许和，必然不开列强瓜分之例，后患无穷。
然而，这一切都随了甲午战争的赔款而结束。有人说，倘若能实施这些人所建议的计划，很可能会有一星半点的成功。但是，如果我们分析一下甲午战争的失败，就可以知道，即使计划真的实施，也只能以失败告终。
1894年，中国战败，而且是与日本交手以来败的最惨的一次。
关于中国大清王朝的海军惨败于日本海军的原因，有无数种说法。但有一个说法是最靠谱的，那就是，政治腐败下不可能产生优秀的军队。
我们可以用唐德刚先生在《晚清七十年》中的一段话来说明，为什么北洋海军会惨败于日本海军：“一八九一年（光绪十七年）七月九日，循日本政府之邀请，李鸿章特派丁汝昌率定远、镇远等六舰驶往东京湾正式报聘。一时军容之盛，国际侧目……那时恭迎恭送，敬陪末座的日本海军司令伊东佑亨和东京湾防卫司令东乡平八郎，就显得灰溜溜了。东乡原为刘步蟾的留英同学，但是当东乡应约上中国旗舰‘定远’号上参观时，他便觉得中国舰队军容虽盛，却不堪一击——他发现中国水兵在两尊主炮炮管上晾晒衣服。主力舰上的主炮是何等庄严神圣的武器，而中国水兵竟在炮上晾晒裤子，其藐视武装若此；东乡归语同僚，谓中国海军终不堪一击也。”
