海戰打響后，日艦第一游擊隊見北洋艦隊來勢兇猛，特別是害怕北洋定鎮兩艘巨艦，所以一面發炮一面加速從定遠、鎮遠二艦前面奪路而行，直撲北洋艦隊的薄弱右翼超勇、揚威二艦。
吉野、高千穗、秋津洲和浪速四艦集中火力猛攻，超勇和揚威竭力抗擊，日艦多處受傷。但艦齡達十三年以上的超勇、揚威如何抵擋得了日本的第一游擊隊，下午一時二十分，黃建勛，左翼右營副將，超勇號管帶在他指揮下，全艦官兵無不誓死作戰，但“超勇”畢竟是艦齡十余年的老艦，終究敵不過日本游擊隊的四艘主力艦，激戰中“超勇”艦中彈甚多，特別是一敵彈擊穿艙內，引起大火，剎那間“超勇”全艦被黑煙籠罩，由于“超勇”艦是木質艦身，艙內起火無法施救，不久就右舷傾斜，難以行駛，最終被烈火焚沒。黃建勛落水后，附近魚雷艇駛近相救，拋長繩援之，不就而沒，時年43歲。
揚威也受重創，各炮塔已不能轉動，在日艦輪番轟擊下，不得不駛離戰場，但又擱淺。林履中，右翼右營副將，揚威號管帶，“揚威”是北洋水師中艦齡較老，作戰和防衛能力較弱的老艦，又處于右翼陣腳最外側。由于北洋水師陣列跨度較大，“定遠”、“鎮遠”的炮火不能支援到兩側陣腳的戰艦，于是揚威便遭到日本游擊隊"吉野"等四艦的猛攻。揚威先后中彈起火，正在此時，濟遠艦竟然轉舵逃跑，撞揚威舵葉，揚威行愈滯，敵彈入機艙，艙內彈炸火起，漸不能支。在此危急時刻，林履中親率千總三副曾宗鞏等發炮攻敵不止。但揚威首尾各炮已不能轉動，而敵炮紛至，艦身漸沉于海。林履中登臺一望，奮然蹈海，都司幫帶大副鄭文超和守備二副鄭景清同時落水。當時，左一魚雷艇駛至，投長繩相援，林履中推而不就，隨波而沒，時年43歲。時人贊他“見危授命，激烈效忠，其所謂臨大節而不可奪者”。
在第一游擊隊開始炮擊超勇、揚威的同時，以旗艦松島為首的日艦本隊也到達定遠艦的正前方，雙方展開了猛烈的炮擊。十二時五十三分，松島的一顆炮彈擊中定遠的桅桿，打壞定遠通訊器，此時劉步蟾在漢納根的協助下督戰，指揮戰艦不斷變換方位，使日艦不能瞄準定位。
沈壽堃在定遠艦督炮擊敵，重創日艦“松島”、“比睿”、“赤城”、“西京丸”。這時定遠305mm口徑大炮發射一枚30公斤炮彈，擊中日本旗艦松島右舷下甲板，擊毀第四號速射炮及左舷全部炮架，死傷達二十四人。
松島號艦長尾本知道在司令伊東佑亨的吩咐下，忙令軍艦上的軍樂隊補充已陣亡士兵的位置繼續戰斗。
由于敵艦攻擊北洋旗艦，作為報復北洋水師將士也回過頭來攻擊日艦旗艦。此時，松島也成了北洋艦隊的炮火集中打擊的目標，這時一顆炮彈又擊壞松島的三十二公分主炮塔，松島見定、鎮二艦炮火強大，急忙率本隊轉舵向左，加速駛避。北洋艦隊也全隊隨之向右轉舵，繼續以艦首指向日艦。而位于日艦本隊后半部的比睿等艦，因速度遲緩，遠遠落在后面。這樣，本隊便被攔腰截為兩段，形勢大為不利。
北洋艦隊抓住時機發動猛攻，各艦以右翼炮轟擊松島等前隊，又以左翼炮轟擊后面的三艦。一點時，松島的七號炮位被定遠擊毀，而比睿已被靖遠趕上，相距僅七百米。比睿見情勢緊急，向右急轉彎，試圖從靖遠和定遠之間穿過，與本隊會合。然而，比睿立即遭到北洋艦隊的包圍，炮彈從四面飛來，傷亡嚴重。靖遠葉祖貴見狀遂下令停止炮擊，攜帶步槍的突擊隊排列在甲板上，準備靠近比睿，將其俘虜。然而事與愿違，櫻井規矩之艦長在危急中，急令速射炮拼命發射，五分鐘內發射了一千五百多發，迫使靖遠難以靠近。
沈壽堃見此情形，從右后方發炮轟擊。比睿被其三十公分半巨彈擊中，下甲板后部全部毀壞，艦上十九人當場炸死。頃刻間，烈火騰空，艦艇失去戰斗力。兩點鐘左右，比睿依靠其速度逃出北洋艦隊的炮火網，并掛出‘本艦火災退出戰列’的信號，向南駛離。
位于本隊左側的赤城艦，速度最慢，落在最后。比睿駛離后，赤城孤立無助，完全暴露在北洋艦隊左翼的炮火下，中彈累累。定遠后部的十五公分炮彈擊中赤城艦橋，一號炮手、二號炮手及兩名水兵中彈身亡，正在指揮的坂元艦長被彈片擊中頭部，掛掉后，赤城仍不斷中彈，艦上軍官幾乎非死即傷，失去戰斗力，于是轉舵向南駛離。來遠在后尾追，連連發炮，先擊倒桅桿，又中艦橋，代理艦長也受了傷。到下午二點半，赤城如喪家之犬般逃離作戰海域。
此時北洋艦隊二艦被擊沉，小日本艦隊二艦重傷，失去戰斗能力而退出戰斗隊列。
下午二點半，平遠、廣丙兩艦以及福龍、左一兩艘魚雷艦加入戰斗。黃海海戰打響時，當時沿大東溝近岸航行擔任艦隊側翼警戒的魚雷左一營都司蔡廷干，立即率領“福龍”號及本部魚雷艇隊尾隨“平遠”、“廣丙”兩艦奔赴大東溝海域參戰。接著平遠、廣丙兩艦首先與日艦西京丸、巖島及旗艦松島號交戰。
由于日艦比睿、赤城剛剛逃出戰區，西京丸的右舷隨即暴露在北洋艦隊前方，立即遭到平遠、廣丙等北洋艦隊各艦炮火的猛烈轟擊。其舵機遭到損壞，只能靠人力舵勉強航行。不久，右舷又中一彈，立即出現裂縫，滲進海水。程璧光指揮廣丙艦不斷的擊中敵艦，當平遠駛近松島二千二百米時，突然發射二十六公分炮彈，擊中松島的中央水雷室，四名魚雷發射手中彈身亡。松島也發炮還擊，炸毀了平遠的二十六公分主炮，并引起火災。平遠見勢不敵，轉舵駛避。兩艦雖然都命中松島及西京丸并引起大火，終因本身火力太弱，又系木質船身先后被日艦還擊受創退出戰斗。海戰中，程璧光腹部被彈片擊中，血染內衣，依然堅持指揮。
面對強大的日本艦隊，蔡廷干毫不畏縮，指揮屬下艇隊，把日方軍旗艦艦松島從艦隊編隊中分割開來，自己指揮福龍號向西京丸發射魚雷，由于距離太遠而沒有命中。面對敵艦猛烈炮火的射擊，蔡氏昂然挺立在指揮臺上，下令福龍號全速銜尾向西京丸急進。當逼近敵艦約三十米時，西京丸連發三枚魚雷，福龍號轉舵避開。其后，福龍號立即折回，全速沖向西京丸艦首，又發射出一枚魚雷。誰知魚雷竟然從艦底穿過，其他將校也相對默然。但是因為距離太近，魚雷從艦下穿過，未能觸發，西京丸得以保全，向南駛離戰場。無奈魚雷已經用完，福龍艇遂全速退出戰斗。中途救起不少墮海飄浮的北洋海軍將士。
此時，小日本艦隊還剩九艦，與北洋艦隊的八艦相對。第一游擊隊已經迂回到北洋艦隊的背后，與本隊策應夾攻，使北洋艦隊首尾難以相顧。由于日艦以排炮擊毀定遠的信號裝置，使北洋艦隊指揮失靈。
北洋艦隊諸小隊此時只能各自為戰，隊形也凌亂不整，但將校用命，士氣未減。丁汝昌負重傷不能站立，裹傷后始終坐在甲板上激勵將士。
這時定遠艦腹忽中一炮，猛烈的火焰從炸開的洞口噴出，定遠忙集中人力滅火，攻勢轉弱而火勢不減。日艦第一游擊隊趁機靠近攻擊，鎮遠、致遠見此情形，急速向旗艦靠攏，迎戰日艦。定遠的火災最終得以撲滅，但致遠艦卻中彈累累。下午三半，數顆炮彈同時命中其水線魚雷艙，并引起爆炸，右舷隨即大量進水傾斜，見此情形，管帶鄧世昌依然指揮若定，下令軍艦撞向吉野。奈何吉野慌亂之中發射了一枚魚雷擊中致遠艦首，加速了艦首的下沉，最終使得致遠艦大頭朝下沉沒大海。
鄧世昌落水后，拒絕接受救生圈，魚雷艇左一也來救助，卻被拒絕，其愛犬游到身邊咬著他的手臂，想將他拖回救援船上，反被他用力按入水中，自己也隨之沉沒。全艦二百五十余名中外官兵，除七人獲救外，全部葬身大海。戰后，鄧世昌的壯烈殉國震動了朝野，光緒帝親筆賜挽聯‘此日漫揮天下淚，有公足壯海軍威’，又作詩一首：‘城上神威炮千斤，枉資劇冠挫我軍，后來無道終許汝。’
致遠沉沒后，位于北洋艦隊左翼外側的濟遠、廣甲二艦就變得孤立于本隊了。開戰后，濟遠數次中炮，傷亡十余人，由于前不久被吉野追命的打，管帶方伯謙此刻怕的要命，況且軍艦只是簡單的修理了一下，根本無法抵得住敵艦的再度轟擊，于是便掛出“本艦重傷”信號，不料他看見致遠沉沒，嚇的連忙轉舵向西駛離戰區，于半夜兩點反回到旅順港。廣甲管帶吳敬榮見濟遠逃跑，心想：‘我是南洋的人，被你們強扣下，本來就不想打仗，如今隊長都跑了，咱也跟著跑吧’，于是也跟著跑路，可惜慌不擇路，船底觸礁擱淺。隨即放下小船劃回旅順。
濟遠、廣甲逃離后，第一游擊隊死死咬住經遠一艦，四面圍攻。經遠以一抵四，毫不畏懼，拼死抵抗。林永升，左翼左營副將，經遠號管帶同左翼左營守備陳京瑩協同御敵救火，毫不畏懼，表現極為出色，激戰中，管帶林永升頭部中炮犧牲，隨后幫帶大副陳榮也中炮壯烈犧牲，接著陳京瑩接替指揮，全艦將士戮力奮戰，不久陳京瑩也中炮陣亡，陳京瑩犧牲后，經遠水兵在沒有指揮官的情況下仍然堅持作戰。此時，四艘日艦逼近到二千米以內，用速射炮實施近距離打擊，終于將經遠擊沉。全艦二百七十余人中，除十六人獲救生還外，其余全部遇難。
至此北洋艦隊二主力艦沉沒、二艦逃走，只剩下定遠、鎮遠、靖遠、來遠四艘主力艦；小日本艦隊一艦重傷逃脫，尚有九艘戰艦。日本方面躍居絕對優勢。
