开战不久，定远舰四炮齐轰时，将自身的舰桥震垮，丁汝昌及驻定远舰助战的戴乐尔都受了伤。见战情危急，丁汝昌拒绝随从要自己入内舱，坚持坐在甲板上督战。由于旗舰信旗也被毁坏，丁汝昌站在甲板上只能鼓一鼓士气，故海战刚一开战北洋舰队就失去了指挥，各舰开始自行作战。
日舰见状，即以鱼雷快船直攻定远舰。尚未驶到时，致远舰开足机轮前进，挡在定远舰前面，将来船攻沉，但自身也受伤着火。这时，日军的四舰利用航速优势，绕攻北洋舰队右翼较弱小的超勇舰和扬威舰，二舰相继被击中起火。扬威舰只得退出战斗，超勇舰则不幸沉没。超勇舰被击沉后，与之一起作战的经远舰立陷孤立。它本来截门橡皮就已损坏，行动较缓，四艘日舰见状即围攻过来，将它击沉。不过，日军的吉野舰同时也被北洋舰队击中起火，但火势刚起就很快被扑灭。
灭完火后，吉野舰迅速冲上前来，致远舰管带邓世昌见了，便准备与敌舰同归于尽，即下令撞沉吉野舰。当致远舰向吉野舰右舷高速撞去，对方见状大惊失色，急忙发射鱼雷。致远舰遭鱼雷轰击后，旋亦沉没。
丁汝昌见连失三舰，超勇舰管带黄建勋、经远舰管带林永升、致远舰管带邓世昌及全舰官兵葬身海底，顿时双眼发红，他指挥旗舰定远舰和镇远舰一起向日军舰队的旗舰松岛号猛扑过去。定远舰和镇远舰是号称为东洋第一舰的巨型铁甲舰，总排水量都有七千三百吨，比松岛舰的吨位高出近一半。它们在冲入敌阵、接近松岛舰时，虽各中炮弹七百余发，但舰上官兵勇猛无畏，冒死击敌，将舰上配有三发威力极大的榴弹炮发向松岛舰。
松岛舰在遭受重炮的轰击后，顿时浓烟滚滚，负重伤而失去了战斗力。继之定远、镇远两舰又重创日舰比叡号和赤城号。
可是，当定远舰与镇远舰重伤松岛号时，另八艘日舰对北洋舰队已受伤的扬威舰和济远舰、广甲舰进行围攻。这三艘战舰各只凭着舰上配备的六门速射炮和十门机炮与敌对战。它们配备的弹药本来就不足，加之质劣，一半以上的炮弹是臭弹、哑炮，对敌几无威胁。不到半个时辰，扬威、济远、广甲三舰在围攻中全都受重伤。扬威舰舱内被炸，又被济远舰当腰触裂，驶至浅水而沉。济远舰在炮弹打尽、仅有的几枚鱼雷发光后只得逃逸，在逃逸中又搁浅，日舰这时追上来向它猛击，管带林履中愤恨无比，蹈海而死。
战至傍晚，北洋舰队只剩下四舰御敌。后来靖远、来远两舰又受重伤，无法再战，退出战场。丁汝昌就只靠着定远、镇远两舰拼死支撑着与日舰苦战，所配的弹药全部打光了，两舰官兵仍然勇猛无畏地与敌舰相持。
至日暮时分，日本舰队也弹药告尽，无力再战。它们带着累累伤痕，护卫着遭重创后丧失了指挥能力的松岛号旗舰，在暮霭中脱离战场。
日军海陆并胜，仅战死官兵五百余人即击败清军主力。前方的捷报传至东京，睦仁天皇大喜。他知在日清两国军事实力不相上下，且稍呈弱势之时能大胜清国，全赖将士用命，遂下达敕书嘉奖日军海陆官兵，还亲自谱写军歌《黄海之大捷》以鼓舞士气。
紧接着，日本召开第七届议会，通过了一亿五千万日元的临时军事费用预算方案，以供侵入中国本土作战。会议结束后，睦仁天皇即命朝鲜前线日军进攻。第一军奉命一举突过鸭绿江，然后分兵进击，击溃清兵三万，于10月31日侵占安东。
占领安东后，司令官山县有朋激动无比，想到1592年丰臣秀吉指挥日军进占平壤、谋划攻占北京以迁日本国都于彼的未竟之志将要实现，不禁老泪横流。为了煽动人心，制造混乱，他装扮成吊民伐罪的样子，连夜写成《告十八行省豪杰书》，令人四处张贴。其中称：“满清氏原塞外之一蛮族，既有非命之德，又无功于中国，乘朱明之衰运，暴力劫夺，伪定一时，巧操天下。满清氏之命运已尽，而天人与弃之因也。我日本应天从人，大兵长驱，以问罪于北京朝廷，将陈清主面缚乞降。十八行省豪杰当逐满清氏于境外，以托大业。”与此同时，山县电奏大本营，准备挥师山海关，实行直隶作战。
然而日皇睦仁却不想让日军直取北京，他即电令山县：“切不可进取山海关。议会虽已增加军费预算，但我国力有限，远不足供中国本土作战之用。尽快迫使清廷签订城下之盟，是为上策。”紧接着，睦仁天皇在大本营令陆军大臣大山岩为司令官组成第二军，用四十余艘运兵船海运二万五千名日军至辽东半岛，打算攻取金州。
