舰队交相攻击，日军舰比叡、赤城、扶桑、西京丸号遭到北洋舰队的截击，定远、来远、经远重创日本军舰比叡、赤城，赤城船长坂元八太郎阵亡，西京丸号也受重创。14时15分左右，日本舰队绕至北洋舰队背后，与第一游击队形成夹击之势。北洋舰队腹背受敌，队形是更加的混乱。在混乱中，北洋舰队之中一直冲杀在前的致远舰受到吉野、高千穗等集中轰击，多处受伤，船身倾斜。伊东祐亨令第一游击队救援赤城、比叡，吉野号冲在最前方，正遇到全身着火的致远舰。邓世昌见吉野舰船坚炮利，横行无忌，愤而道：“倭舰专恃吉野，苟沉是船，则我军可以集事，”决意与之冲撞，同归于尽。邓世昌毅然全速撞向日本主舰吉野号右舷。日本官兵见状大惊失色，集中炮火向致远射击，致远舷右侧**发射管被击中，引起大爆炸。3时30分，以右舷倾斜，在东经123度34分，北纬39度32分的黄海海面上沉没，全舰官兵初七名遇救外，其余自邓世昌以下全部壮烈殉国。
经远继续迎敌吉野，遭吉野、浪速、秋津洲、高千秋四舰围攻，中弹起火。全舰官兵奋勇抗击，经远全舰将士发炮以攻敌，激水以救火，依然井井有条。经远以一敌四，拒战良久。激战中，管带林永升不幸突中炮弹，脑裂阵亡，帮带大副陈荣和二副陈京莹也先后中炮牺牲。最后在浪速、吉野、秋津洲、高千秋的围攻之下，经远舰中炮累累，不久，左舷舰首向水中下沉，在东经123度40分7秒，北纬39度51分海面上，舰首向东，左舷倾覆而沉没，全舰官兵二百余人，初六十人遇救外，其余全部阵亡。
经远沉没后，济远管带方伯谦，广甲管带吴敬荣，临阵逃脱。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。
定远、镇远两舰浴血奋战，中弹甚多，几次起火。下午3时30分，镇远舰的30.5公分大炮连续击中旗舰松岛号二次，松岛后甲板四号炮塔中弹后，火焰引爆**，发生了大爆炸。松岛船轴倾斜5度，冒起白烟，火灾大作。不久，靖远、来远抢修完毕，重新投入战斗，日本军舰赤城、比叡、西京丸号负伤，旗舰松岛情况也不容乐观，吉野、扶桑也受了伤，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，也收队回到旅顺。此战役之中北洋水师虽损失较大，但并未全败，然而李鸿章为保存实力，命令北洋舰队躲入威海卫港内，不准巡海迎敌，日本取得了黄海制海权。
清廷估计到日军将乘胜入侵辽东半岛，谕令
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