战斗开始不久，北洋舰队旗舰“定远”舰由于下水12年，7年未修，主炮炮塔起火，丁汝昌烧伤，信旗被毁（一说为被日军舰炮击中）。丁汝昌拒绝随从把自己抬入内舱，坚持坐在甲板上督战。日第一游击队4舰利用航速优势绕攻北洋舰队右翼“超勇”、“扬威”，二舰相继被击中起火，退出战斗。日舰“吉野”也被北洋舰队击中起火，但很快被扑灭。13时30分左右，“超勇”沉没，管带黄建勋落水，“左一”鱼雷艇驶近相救，抛长绳援之，黄建勋不就，从容死难，舰上官兵也大部壮烈牺牲。
当日本第一游击队绕攻北洋舰队右翼时，本队也与北洋舰队主力交相攻击。日本军舰“比睿”、“赤城”、“扶桑”、“西京丸”遭到北洋舰队截击。
“定远”、“来远”、“经远”重创日舰“比睿”、“赤城”。“赤城”舰长坂元八太郎阵亡。“西京丸”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，队形更加混乱。在混战中，北洋舰队一直冲杀在前的“致远”舰受到“吉野”、“高千穗”等的集中轰击，多处受伤，船身倾斜。伊东祐亨令第一游击队救援“赤城”、“比睿”。“吉野号”冲在最前面，正遇上全身着火的“致远”舰。邓世昌见吉野恃其船捷炮利，横行无忌，愤而说道：“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力舰“吉野”号右舷，日本官兵见状大惊失色，集中炮火向致远射击，致远舰右侧鱼雷发射管被击中，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。全舰官兵除七名遇救外，其余自邓世昌以下全部壮烈殉国。（此说法最接近事实，致远舰冲向吉野号，有可能就是为了使用鱼雷攻击。也有另外的说法是致远舰是被日舰火炮击沉，战前北洋水师已经把鱼雷抛入海中。）
“经远”继续迎战“吉野”，遭吉野、浪速、秋津洲、高千穗四舰围攻，中丛弹起火，全舰奋勇抗御，经远全舰将士“发炮以攻敌，激水以救火，依然井井有条”。经远舰以一敌四，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、高千穗的围攻下经远舰中弹累累，不久，“左舷舰首向水中沉下”，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，除十六人遇救外，其余全部阵亡。
“致远”沉没后，“济远”管带方伯谦、“广甲”管带吴敬荣，临阵脱逃（方伯谦等是否临阵脱逃，有不同看法）。“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公分大炮连续击中日本旗舰“松岛”号二次。松岛后甲板四号炮塔中弹后，火焰引发炸药，发生了大爆炸。松岛船轴倾斜5度，冒起白烟，火灾大作。
日本联合舰队旗舰——松岛
不久，靖远、来远抢修完毕，重新投入战斗。日本军舰赤城、比睿、西京丸负伤，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，也收队返回旅顺。历时5个多小时的黄海海战到此结束。海战的结果：北洋舰队损失“致远”、“经远”、“超勇”、“扬威”、“广甲”（“广甲”逃离战场后触礁，几天后被自毁）5艘军舰，死伤官兵千余人；日本舰队“松岛”、“吉野”、“比睿”、“赤城”、“西京丸”5舰受重创，死伤官兵600余人。此役北洋水师虽损失较大，但并未完全战败。然而李鸿章为保存实力，命令北洋舰队躲入威海港内，不准巡海迎敌。日本夺取了黄海的制海权。
黄海海战自1894年9月17日12点50分海战打响，至下午5点半结束历时5个多小时，其规模之大，时间之长，为近代世界海战史上远东战区所罕见。
