“济远”舰带伤返回旅顺后，虽然有传闻说管带方伯谦挂了白旗，但提督丁汝昌考虑到双方力量悬殊，“济远”舰尚能全身而退，便对此事未予追究，后来还向朝廷为方伯谦请了功。
丰岛海战后，中日双方都向对方宣战，甲午战争正式爆发。北洋舰队的将士们得知“高升”号被日本军舰击沉、船上的800多名弟兄葬身大海后，一个个都怒火中烧，愤慨异常，水兵们都摩拳擦掌，要和日本人决一死战，为陆军弟兄们报仇。
据当时北洋舰队雇用的外国专家回忆，北洋舰队的下层官兵大多求战心切，而高级将领包括提督丁汝昌在内，却十分谨慎，并不敢轻易言战。
这个细节颇值得玩味，想必是对彼此知根知底的缘故。
令人扼腕叹息的是，中方的陆军在朝鲜战场上连吃败仗，一退再退，陷入了极端被动的局势。就在日本陆军逼近平壤的同时，日本舰队也集中了“吉野”“高千穗”“秋津洲”“浪速”“松岛”“千代田”“严岛”“桥立”等12艘主力舰艇，在海面上极力寻求与北洋舰队进行决战的机会。
由于陆军受挫，指挥作战的北洋大臣李鸿章随后又令北洋舰队再次护送军队前往大同江登陆，以增援守卫在平壤的清军。由于上次吃了日本人以多打少的亏，这一次丁汝昌决定舰队全体出动，执行护航任务。
这次护送运兵船的过程还算顺利，海面平静无事。1894年9月17日，在清军士兵登岸的过程中，北洋舰队留下“平远”“广丙”两艘舰艇和鱼雷艇在岸边执行护卫任务，随后在丁汝昌的率领下，舰队主力开始沿海面进行常规的巡航训练。当舰队行进到大东沟海面附近时，西南方向突然出现了几簇黑烟，来袭的正是日本舰队。
在得到报告后，丁汝昌立即下令，各舰准备战斗。为了发挥各舰舰首主炮的威力，丁汝昌命北洋舰队以犄角雁行阵迎敌，其中以旗舰“定远”
号和“镇远”号两艘巨舰居中，“致远”“靖远”“济远”“广甲”四舰布于左翼，“经远”“来远”“超勇”“扬威”4舰列于右翼，舰队形成一个扁Ｖ字形，向一字阵形的日本舰队拦腰冲去。
中午时分，双方舰队接近至5300米时，北洋舰队旗舰“定远”号为震慑敌舰，首开巨炮，炮弹落在日舰“吉野”号舰舷左100米处，海水四溅，声势惊人。10秒钟后，“镇远”舰也向敌舰开炮。在行进了3分钟后，日本舰队也开始发炮还击，刹时间，双方各舰百炮轰鸣，大东沟海面顿时硝烟弥漫，海水都为之沸腾。
至此，这场规模巨大、时间持久的海上鏖战，终于正式打响了。值得一提的是，这是近代史上以蒸汽战舰为主的第一次大规模海战，在世界海军史上记下了浓重的一笔。
开战后，日本舰队速度最快的第一游击队四舰本是攻击北洋舰队的“定远”“镇远”两舰，但它们见北洋舰队的这两艘主力舰来势凶猛，便突然向左大转弯，以斜线加速从“定远”“镇远”两舰之前夺路而进，直扑北洋舰队的右翼“超勇”“扬威”两艘弱舰。
“超勇”“扬威”两舰的舰体规模小，船龄长，速度慢，火力与防御能力都很差，虽然奋勇抵抗，并击中“吉野”和“高千穗”两舰数炮，但最终不能与号称“帝国精锐”的日本第一游击队四艘强舰相抗衡。半小时后，“超勇”“扬威”两舰都已中弹累累，船上燃起大火，危在旦夕。
激战中，“超勇”舰最终不支并逐渐沉入海中，管带黄建勋坠水后，北洋舰队的一鱼雷艇驶近抛长绳相救，但黄建勋推绳不就，自沉于海，与坐舰共生死。而另一边，“扬威”舰也在敌舰的轮番轰击下，全船尽毁，管带林履中奋然蹈海，以身殉国。
与此同时，北洋舰队的其他诸舰也和日本各舰展开了殊死的搏斗。
开战不久，在飞桥上督战的提督丁汝昌不幸腿部受伤，动弹不得，但他仍旧坚拒不退，并坐在甲板过道之侧督战到底，以鼓舞士气。在丁汝昌受伤后，“定远”管带刘步蟾随即代为指挥，其表现极为英勇出色。没多久，“定远”舰便击中日本旗舰“松岛”号的炮塔，令其不敢继续正面对峙而是急转舵向左逃避。
此时，日舰“比睿”号也因为船龄老、速度慢而脱离了日本本队，正好与“定远”“靖远”舰正面相遇，逃无可逃，差点就被俘虏。令人诧异的是，“比睿”号的舰长在必死的勇气支撑下，用速射炮连射作掩护，并极其大胆地从北洋舰队的舰艇中穿过，而“定远”等舰担心误伤友舰，无法对其猛击，致使“比睿”号侥幸逃脱。不过，“比睿”号虽然逃过一劫，但已经丧失了战斗能力，随后挂出“本舰退出战列”的信号，逃离战场。
小号的日舰“赤城”号也遭到同样命运，在北洋舰队左翼诸舰猛击下，“赤城”舰中弹累累，死伤甚众，舰长坂元八郎太被一炮击中脑袋，当场毙命。在“赤城”舰转舵驶逃的时候，又被尾追的“来远”舰屡屡击中，代理舰长佐藤铁太郎也被击成重伤。最后，“赤城”舰勉强逃出海战区域，已经丧失了战斗力（注：在后来北洋舰队上报的战报中，这两艘日本战舰被误记为“击沉”，但事实上，这几艘日本军舰在经过修理后，仍旧参加了之后的战斗）。
此时，在清军登陆处执行护卫任务的“平远”“广丙”两舰听到大东沟海面的炮声后，随即召集港内的鱼雷艇也赶来参战。进入作战海域后，“平远”舰恰好经过日本旗舰“松岛”号的左侧，管带李和抓住战机，一炮击中了“松岛”的中央水雷室，当场击毙敌发射手4名。“松岛”舰作为日本舰队的旗舰，当然也不是吃素的，它很快发炮还击并引起了“平远”
舰上的火灾。为扑灭大火，“平远”舰只得暂时驰离战场，结队而行的友舰“广丙”号也只好随之驶避。
随后，北洋舰队又击中日舰“西京丸”，致使其甲板渗水，舵机损坏，“西京丸”用人力舵才勉强得以航行。就在这时，北洋舰队的“福龙”号鱼雷艇突然赶上前去，并向其发射鱼雷，“西京丸”躲避不及，无路可逃，在船上督战的日本海军中将桦山资纪双眼一闭，惊呼道：“我事毕矣！”但阴差阳错的是，大概是因为发射距离过近，鱼雷竟然从舰下穿水而过，“西京丸”这才侥幸逃脱。
但是，日舰第一游击队的四艘新军舰依旧十分凶猛。激战中，“定远”舰忽中一炮并引发大火，火势极为猛烈，甲板上的各炮台一时间无法发射，日舰见机便群起向“定远”舰扑来。为给“定远”舰争取扑灭大火的时间，“镇远”“致远”舰急忙上前掩护，当时“致远”舰以一舰对四舰，舰上炮弹几乎用尽，舰体也身受重伤。
“致远”舰管带邓世昌见日本第一游击队的“吉野”舰在海面上横行无忌，危害巨大，加上自己军舰上炮弹即将用尽，于是果断地下令用舰首犄角直冲“吉野”，准备将之撞沉，挫灭敌焰。不料正当两舰迫近、敌人惊呼逃避时，“致远”舰却不幸被敌方鱼雷击中，全舰沉没。邓世昌落海后，其爱犬凫到身边，咬着他的衣服不让其下沉，但邓世昌用力按爱犬入水，与舰同沉，壮烈殉国。
“致远”舰沉没后，左翼的“济远”“广甲”两舰处境孤危，伤亡惨重，“济远”舰管带方伯谦见“致远”舰被击沉，惊慌失措，随后竟挂“本舰已受重伤之旗”，逃离战场，“广甲”舰见势不妙，也随之而逃。
“济远”“广甲”两舰逃走后，“吉野”等4艘日舰死死咬住“经远”
舰不放，意在击沉而后快。由于敌众我寡，“经远”舰死伤惨重，大副陈荣、二副陈京莹先后阵亡，管带林永升也在炮火下中弹脑裂而亡。令人感慨的是，“经远”舰在无人指挥的情况下，剩下的水兵们仍旧坚守岗位并继续开炮击敌，最后在熊熊烈焰中浩然沉没。“经远”舰全舰200多人，除16人获救外，其余全部壮烈殉国。
残酷的海战进行到这时，北洋舰队只剩下“定远”“镇远”“靖远”“来远”4舰在最初的海面继续作战，而日本舰队尚有9艘战舰，在数量上占据了绝对优势。尽管如此，双方舰队仍旧分为两拨厮杀，日舰本队“松岛”“千代田”“严岛”“桥立”和“扶桑”5舰死死缠住北洋舰队的主力舰“定远”号和“镇远”号；日本第一游击队“吉野”“高千穗”“秋津洲”、“浪速”4舰则专攻“靖远”和“来远”两舰，想将两舰击沉后全军合力围攻“定远”和“镇远”舰，意图全歼北洋舰队。
此时，北洋舰队已经到了最为危急的时候！
面对日本4舰的围攻，“靖远”“来远”两舰随机应变，它们临时结成姊妹舰，彼此互相依持，虽然两舰都已经中弹数百，但仍旧顽强作战。战至后来，为了修补中弹后的漏洞和扑灭船上的烈火，两舰协同冲出包围并驶至大鹿岛附近，以背靠浅滩的有利地势，用舰首重炮对准尾追而至的日本4舰，敌舰也无可奈何。
在最初的作战海域，北洋舰队只剩下“定远”和“镇远”两艘主力舰还在同日舰本队五舰激战。由于“定远”和“镇远”的舰体规模大、装甲厚，虽然身中敌方上千弹，但两舰仍旧岿然不动，在血战中未落下风（敌方多用速射炮，只在“定远”“镇远”舰吃水线上的的装甲留下弹痕，尚无大碍）。
在管带刘步蟾和林泰曾的英勇指挥下，北洋舰队的两艘主力舰配合默契，官兵们发挥了大无畏的精神，终于顶住了日本5舰的疯狂进攻。战至下午3点半，“镇远”一炮击中日本旗舰“松岛”右舷下甲板，打得“松岛”号舰体倾斜，烈焰冲天，当场杀死杀伤敌兵84人。“松岛”舰被击中后，已经丧失了指挥和战斗能力，击沉“定远”和“镇远”舰的图谋也基本落空。
下午5时，“靖远”和“来远”舰在扑灭大火后，又召集“广丙”诸舰及鱼雷艇归队，北洋舰队的声势益振。战至下午5点半，海面上浓烟四起，落日将沉，日本舰队司令伊东佑亨见本队各舰多已受伤，加上害怕北洋舰队的鱼雷艇袭击，于是便下令向南驶逃。北洋舰队尾追数海里后，因日舰开足马力逃走，一时难以追赶，便也转舵回航。
在鏖战了5个多小时之后，这场惊心动魄的大海战，终于以日本舰队首先撤出战场而宣告结束。此时，海面上已是暮色苍茫，残阳如血，海风吹来的，尽是刺鼻的硝烟和死亡的气息。
