在日本陆军大举进犯平壤的时候，日本海军也积极寻求与中国海军进行主力决战，以夺取制海权。就在平壤失守后的第二天，日本海军联合舰队在黄海大东沟海域袭击北洋舰队，爆发了黄海大海战。 9月16日凌晨，北洋舰队提督丁汝昌率舰队主力，从大连湾起航，护送向朝鲜平壤增援的总兵刘盛休所部清军六千多人，于午后13时，在鸭绿江口东沟登陆。这时清政府还不知平壤已经失陷，北洋舰队的定远、镇远、致远、靖远、来远、济远、广甲、超勇、扬威等十舰，在离岸12海里的大鹿岛海域抛锚待命。17日上午，北洋舰队准备起锚返航旅顺。10时左右，镇远舰桅楼上的哨兵发现西南海面有一队军舰驶来，经确认是日本联合舰队的吉野、高千穗、秋津洲、浪速、松岛、严岛、桥立、扶桑、千代田、比睿、赤城、西京丸共12艘军舰。当北洋舰队发现 日本舰队时，提督丁汝昌以乘坐的定远舰为旗舰，分五队向日舰迎去。12时50分，双方舰队接近至5300米时，摆成人字雁行阵的北洋旗舰定远号首先开炮，各舰也相继发炮向日舰轰击。5分钟后，日舰开始还击。霎时间，黄海海面炮声隆隆，硝烟弥漫，一场惊心动魄的中日海军主力决战开始了。
决战中，北洋舰队官兵临危不惧，同仇敌忾，勇战敌人。北洋舰队左翼外侧的扬威、超勇被四艘敌舰轮番攻击，相继中弹起火。扬威舰撤出阵外自救，在大鹿岛搁浅后沉没，落水的管带黄建勋拒绝救援，以身殉职，全舰官兵壮烈牺牲。 激战中，旗舰定远号被敌舰击中，提督丁汝昌受伤，舰队失去指挥，形势十分不利。但是，北洋舰队广大爱国官兵，不畏牺牲，各舰互相策应，协调作战，致使扶桑、比睿、赤城、吉野、浪速、秋津洲等多艘敌舰中弹，西京丸受重创；赤城号舰上的敌兵几乎全部被击毙；比睿、赤城、西京丸三舰狼狈地逃出战场。随后，平远号也被敌舰击中，被迫退出战场。
致远舰官兵在管带邓世昌的指挥下，冲锋在前，多次击中日本旗舰。当发现日本四艘军舰围攻我方旗舰定远号时，他立即指挥致远号开到定远号前方迎敌。经过两小时激战，船身多处中炮受伤，严重倾斜。此时，他决心与敌人同归于尽，以自己的牺牲，保全军的胜利。15时30分，致远舰猛然开足马力，直撞日旗舰；日旗舰吉野号惊慌逃避，并频频施放鱼雷，致远舰不幸被鱼雷击中，舰体爆裂，瞬间沉没。邓世昌落水后拒绝营救，以“阖舰俱没，义不独生，仍复奋掷自沉”，慷慨就义，全舰官兵除7人获救外，200多人牺牲。
致远舰沉没后，中弹多处的济远舰，在管带方伯谦指挥下，怯阵逃往旅顺，随逃的广甲舰在大连三山岛东侧海域搁浅后，被日舰发炮击沉。济远舰等败逃后，经远舰在战斗中多次中弹起火，管带林永升临危不惧，沉着应战，一边指挥救火，一边指挥还击，以一舰抗拒敌人四舰的围攻。终因寡不敌众，最后被敌舰击沉。林永升中炮牺牲，舰上二百多名官兵，大部分壮烈殉国。
鏖战更加激烈了，日舰新式的速射炮具有相当大的威力，战场形势对北洋舰队极为严峻，但坚持作战的定远、镇远、经远、来远和助战的平远、广丙以及福龙号鱼雷艇的官兵，毫无惧色，浴血奋战。镇远舰以巨弹击中日舰松岛号，使其甲板上的弹药连续爆炸，一时间烈焰冲天，死伤一百多人，队长志摩清直及分队长伊东少尉，当场毙命；西京丸被击毁；比壑舰受重伤；赤城舰舰长坂光八郎太被击毙；吉野等舰也受伤很重。日本联合舰队见没有多少便宜可占，便以信号联络，于17时30分左右匆匆向南退去。
北洋舰队返回旅顺口子基地已是翌日早晨6时了。这场近世界海占史上罕见的黄海大海战，历时五个多小时，北洋舰队失船较多，官兵伤亡很重。自此，由于李鸿章进一步推行“避战保船”的方针，使日本控制了黄海的制海权，并使日本为进攻辽东半岛、山东半岛和台湾奠定了基础。就在黄海大海战的当天，清政府因李鸿章统帅全局“调试无方”，被夺黄马褂，拨去三眼花翎，以示薄惩。
