戰鬥開始不久，北洋艦隊旗艦「定遠」艦由於下水12年，7年未修，主炮炮塔起火，丁汝昌燒傷，信旗被毀（一說為被日軍艦炮擊中）。丁汝昌拒絕隨從把自己抬入內艙，堅持坐在甲板上督戰。可是他也只能鼓一艦士氣。日第一游擊隊4艦利用航速優勢繞攻北洋艦隊右翼「超勇」、「揚威」，二艦相繼被擊中起火，退出戰鬥。日艦「吉野」也被北洋艦隊擊中起火，但很快被撲滅。13時30分左右，「超勇」沉沒，管帶黃建勛落水，「左一」魚雷艇駛近相救，拋長繩援之，黃建勛不就，從容死難，艦上官兵也大部壯烈犧牲。
當日本第一游擊隊繞攻北洋艦隊右翼時，本隊也與北洋艦隊主力交相攻擊。日本軍艦「比睿」、「赤城」、「扶桑」、「西京丸」遭到北洋艦隊截擊。
「定遠」、「來遠」、「經遠」重創日艦「比睿」、「赤城」。「赤城」艦長坂元八太郎陣亡。「西京丸」也受重創。
14時15分左右，日本艦隊繞至北洋艦隊背後，與第一游擊隊形成夾擊之勢。北洋艦隊腹背受敵，隊形更加
混亂。在混戰中，北洋艦隊一直衝殺在前的「致遠」艦受到「吉野」、「高千穗」等的集中轟擊，多處受傷，船身傾斜。伊東祐亨令第一游擊隊救援「赤城」、「比睿」。「吉野號」沖在最前面，正遇上全身着火的「致遠」艦。鄧世昌見吉野恃其船捷炮利，橫行無忌，憤而說道：「倭艦專恃吉野，苟沉是船，則我軍可以集事。」決意與之衝撞，同歸於盡。鄧世昌毅然全速撞向日本主力艦「吉野」號右舷，日本官兵見狀大驚失色，集中炮火向致遠射擊，致遠艦右側魚雷發射管被擊中，引起大爆炸，3時30分，以右舷傾斜，在東經123度34分，北緯39度32分的黃海海面上沉沒。全艦官兵除七名遇救外，其餘自鄧世昌以下全部壯烈殉國。（此說法目前最接近事實，致遠艦沖向吉野號，有可能就是為了使用魚雷攻擊。也有另外的說法是致遠艦是被日艦火炮擊沉，戰前北洋水師已經把魚雷拋入海中。
「經遠」繼續迎戰「吉野」，遭吉野、浪速、秋津洲、高千秋四艦圍攻，中叢彈起火，全艦奮勇抗禦，經遠全艦將士「發炮以攻敵，激水以救火，依然井井有條」。經遠艦以一敵四，拒戰良久。激戰中，管帶林永升不幸「突中炮彈，腦裂陣亡」，幫帶大副陳榮和二副陳京瑩也先後中炮犧牲。最後在浪速、吉野、秋津洲、高千秋的圍攻下經遠艦中彈累累，不久，「左舷艦首向水中沉下」，在東經123度40分7秒，北緯39度51分海面上，艦首向東，左舷傾覆而沉沒。全艦官兵二百餘人，除十六人遇救外，其餘全部陣亡。
「致遠」沉沒後，「濟遠」管帶方伯謙、「廣甲」管帶吳敬榮，臨陣脫逃（方伯謙等是否臨陣脫逃，有不同看法）。「靖遠」、「來遠」因中彈過多，退出戰鬥，避至大鹿島附近緊急修補損壞的機器。
定遠、鎮遠兩艦浴血奮戰，中彈甚多，幾次起火。
下午3時30分，鎮遠艦的30.5公分大炮連續擊中日本旗艦「松島」號二次。松島後甲板四號炮塔中彈後，火焰引發炸藥，發生了大爆炸。松島船軸傾斜5度，冒起白煙，火災大作。
不久，靖遠、來遠搶修完畢，重新投入戰鬥。日本軍艦赤城、比睿、西京丸負傷，旗艦「松島」情況也不容樂觀，「吉野」、「扶桑」也受了傷，又見北洋艦隊重新集隊，伊東祐亨便於17時40分左右下令撤出
戰場。
北洋艦隊稍事追擊，也收隊返回旅順。歷時5個多小時的黃海海戰到此結束。
黃海海戰歷時5個多小時，其規模之大，時間之長，為近代世界海戰史上遠東戰區所罕見。
海戰的結果：北洋艦隊損失「致遠」、「經遠」、「超勇」、「揚威」、「廣甲」（「廣甲」逃離戰場後觸礁，幾天後被自毀）5艘軍艦，死傷官兵千餘人；日本艦隊「松島」、「吉野」、「比睿」、「赤城」、「西京丸」5艦受重創，死傷官兵600餘人。此役北洋水師雖損失較大，但並未完全戰敗。然而李鴻章為了保存實力，命令北洋艦隊躲入威海港內，不准巡海迎敵。
黃海海戰進一步揭露出了清朝的腐敗無能，北洋水師建立之初，艦隊在火力和整體噸位上遠超當時的日本海軍，日本海軍的制定擴充海軍
