危急之间，“致远”号管带邓世昌决心以舰体撞击敌舰：“倭舰专恃‘吉野’，苟沉是船，则我军可以集事。”逐命“开足机轮，驶出‘定远’之前，以舰首冲击‘吉野’”。视死如归的邓世昌挺立指挥台，激励官兵：“吾辈从军卫国，早置生死于度外，今日之事，有死而已。”史载：“致远”舰“鼓轮怒驶，且沿途鸣炮，不绝于耳，直冲日队而来”。“吉野”一看这是来拼命的，一面紧急规避，一面猛烈发炮射击，相邻日舰亦频频向“致远”发射鱼雷，致使“致远”舰在冲击途中不幸被鱼雷命中沉没，邓世昌偕全舰250名官兵，除17人获救外，全部壮烈殉国。而“济远”舰也在慌乱中误将已中弹起火搁浅沙滩的“扬威”撞沉，“扬威”管带林履中义不独生，蹈海自尽。
此后，“经远”舰单舰独斗“吉野”等四舰，不幸被日舰命中舰桥，管带林永升等指挥官相继中弹牺牲。全舰剩余官兵坚守岗位，继续战斗，终因寡不敌众，起火沉没。
至此，北洋舰队4舰不存，“济远”、“广甲”退出战列，“定远”、“靖远”、“来远”、“镇远”虽均有不同程度创损，尚能勉强迎敌；而日舰只重损了“比睿”、“赤诚”、“西京丸”等3艘，还有9艘能战。
日本联合舰队占了上风。北洋舰队各受创舰只仍奋力作战，“靖远”管带修竣战舰后迅即接替指挥，集合其他各舰重归战列，继续顽强攻击日舰。
最后一轮激战中，日本联合舰队旗舰“松岛”弹药库被“镇远”舰首350毫米巨炮命中，起火爆炸，完全丧失战斗力。伊东佑亨战至此时也有力不从心之感，遂将联合舰队本队指挥关系转至“桥立”，挂出不管旗，转舵撤离。
历时5个小时的海上大决战结束了。
是役，北洋水师损失战舰5艘，伤亡5舰管带以下1200余人；日舰5艘受重创，伤亡官兵600余人。双方损失惨重，从战损比来看，日本海军是胜了一筹。但日本被重创战舰在近期很难修复投入使用，也就是说，在一定时限内，与被击沉效果无异。所以从一定时限内的作战效益上看，相比对手，北洋水师失分也不算太多。可中堂大人的胆已经破了！
数日后的9月21日，平壤战败的清陆军大败奔逃回国。朝鲜境内的陆上作战亦告结束。日军挟陆海两路胜利之势，占领了朝鲜全境。
