清朝參加黃海海戰的軍艦有定遠號、鎮遠號、靖遠號、來遠號、經遠號、濟遠號、廣甲號以及超勇、楊威二炮艦。日軍軍艦的數量比北洋水師多，共計12艘。就航速而言，北洋水師處於下風，它們平均航速為每小時15.5海里，最快的靖遠號和致遠號也只有18節；而日軍軍艦的平均航速則為19.4海里，最快的吉野號高達22.5節。此外，日軍參戰軍艦共裝備著的97門各種口徑的速射炮，北洋水師則因為經費短缺，未安裝一門速射炮。航速和火炮射速落後於敵，這就意味著日軍可以採用高度機動的作戰方式來抵消北洋海軍的裝甲優勢。事實上，日軍在開戰後也的確是這樣做的。
海戰開始後，日軍的頭號殺手吉野號及高千穗號、秋津洲號、浪速號以整體18節的航速一起運動，向北洋海軍右後翼的超勇和揚威發起衝鋒。這兩艘軍艦於1881年下水，是同一型號的姊妹艦。因艦齡高達13年且常年不得徹底維修，使兩炮艇本就孱弱的戰鬥力更加不堪。據參戰洋員馬吉芬回憶：揚威和超勇“艦中隔壁，俱為木造”。在平時的維修保養中，艦身上原有的舊漆從未刮掉，只是一層又一層地往上塗新漆。時間一久，油漆層越積越厚。後來，隨著海軍經費的日漸短缺，為了節省銀兩，清軍每次使用油漆時都要加入廉價火油調和，這無疑使二炮艦成了一擊即燃的危險品。
也許，正是看中了北洋水師的這個致命缺點，日本因此才在戰前投入鉅額軍費來研究一種被稱為“下瀨爆藥”的炮彈。此火藥爆速達7800米/秒，產生的化學反應高溫在3000度以上且像酒精一樣難以撲滅。好在這種火藥研究出來時北洋水師早已覆滅，否則清軍將會遭受無法估量的傷亡。即使如此，在四艘日艦的連續炮轟下，超勇和揚威因此而造成的熊熊大火也令人觸目驚心。史載揚威號艦身中彈後立即烈焰升騰，並開始下沉。管帶林履中見海水淹沒甲板主炮只好下令撤出戰鬥，後在半路上擱淺，被倉皇奔逃的濟遠號撞沉。超勇號呢？雖然艦上受創亦重，但艦上官兵在管帶黃建勳的指揮下仍然用艦首主炮創傷了吉野等艦。這時北洋水師總體未落下風，但當日軍的另一隊軍艦襲來並衝散了北洋艦隊，行動不便的超勇號最終被日艦擊沉。
這股逼近北洋水師本隊的是日本聯合艦隊的主力，由松島號、千代田號、巖島號、橋立號、比睿號、扶桑號、西京丸號、赤誠號等艦組成。它們以“一”字陣邊施放火炮邊從北洋水師本隊前掠過，而北洋水師則採用“人”形陣迎敵。在雙方的對轟過程中，定遠艦首先中彈，艦上懸掛信號旗的設施被擊毀，站在艦橋上指揮作戰的丁汝昌亦被炸彈掀起的衝擊波所傷。自此，北洋水師失去了統一的指揮，開始各自為戰。這時，航速較快的松島號、千代田號、巖島號、橋立號、扶桑號已脫離了北洋水師正面炮火射程，而航速較慢的比睿號、赤誠號、西京丸號則落在了後方。整體上看，日軍艦隊已被北洋水師一切為二。於是，趁此有利戰機，北洋水師各艦開始向敵發動了猛攻。
比睿號被打得走投無路，竟闖入北洋海軍陣中，又陷入了定遠、靖遠、廣甲、濟遠等艦的重圍。待到突出重圍，它已經徹底喪失了戰鬥力，只能退出戰鬥。繼比睿號遭到北洋艦隊打擊的是赤誠號，其艦長以及代理艦長相繼被炮火擊斃，軍艦甲板設施幾被摧毀殆盡。若不是吉野號趕來救援，此艦必被擊沉。跟在赤城號後面的是西京丸號，艦上有前來觀戰的日本海軍軍令部長樺山資紀。它見比睿號和赤誠號連遭厄運，便企圖離開戰場。卻不想正撞上了前來增援的平遠號、廣丙號以及魚雷艇福龍號和左一號。炮彈擊毀了西京丸的蒸汽管，頓使西京丸動力喪失，僅能憑人力舵勉強航行。不久，連發兩發魚雷的福龍號再對西京丸射發第三發魚雷。誰知這顆魚雷入水太深，竟從西京丸船底潛出。到了下午2時40分，西京丸終於逃出了戰場。
也就在西京丸左支右絀欲擺脫重圍的當口，海戰的大形勢開始對北洋水師不利。日艦吉野號等四艘殺手艦重創揚威和超勇後又駛回了北洋海軍本隊陣前，而日艦主力松島號等五艘戰艦則駛到了北洋海軍本隊之後。依靠航速快的優勢，吉野等四艦或繞行、或聚集、或分散，在躲避北洋水師巨炮的同時，以速射炮之優勢竭盡全力轟擊北洋水師各艦；作為策應，松島號等五艘日艦則趁虛襲擾，使北洋艦隊各艦首尾難顧。在前後受敵的情況下，北洋海軍陣腳大亂，除了定遠、鎮遠兩艦尚可保持互相支援的戰鬥隊形外，其餘各艦隻能各自為戰，前文所述的超勇號即是在這時被擊沉。當時，超勇號管帶黃建勳本有機會逃生，卻拒絕接受援救，最終跳入黃海，以身殉艦。
繼超勇號之後，北洋水師第二艘沉沒的軍艦是致遠號。它的管帶鄧世昌見定遠號被群狼圍攻，正處於岌岌可危之境，便毅然駛出本隊為之掩護。激戰中，致遠號艦身多處中彈，艦身已經開始傾斜，彈藥業已用盡。看到吉野號仗著航速快、速射炮多的優勢四處逞兇，鄧世昌毅然決定撞向吉野，要與之同歸於盡。可惜就在致遠號快要撞上吉野時，卻被一條魚雷擊中艦身並引起鍋爐爆炸。下午3時30分，致遠號沉沒，管帶鄧世昌、大副陳金揆、二副周居階以下250餘名官兵除27人獲救外，全部壯烈殉國。
致遠號之後，先前擱淺的揚威號也沉沒了。造成揚威號沉沒的不是日艦的轟擊、而是來自友艦濟遠的撞擊。因為在致遠號沉沒後，濟遠艦管帶方伯謙害怕日艦集中炮火轟擊己艦，遂拋棄友艦逃離戰場。在日艦的追逐下，濟遠艦慌不擇路，正撞上擱淺的揚威號。和超勇號管帶黃建勳一樣，揚威號管帶林履中也有機會逃生，但他最終也選擇了以身殉艦，沉入了波濤洶湧的黃海。濟遠號逃陣後，廣甲號也隨之潛逃。因慌不擇路，廣甲號撞上了暗礁，管帶吳敬榮棄艦而逃，後此艦被日軍擊沉。
隨著超勇、揚威、致遠、濟遠、廣甲等主力艦或沉沒、或逃陣，北洋水師的處境開始極端困難。仿照之前的攻擊策略，日艦又開始了新一輪的圍攻。這次，它們把目標對準了經遠艦。還是吉野等四艘殺手艦出馬，它們集中所有炮火對準經遠號就是一陣劈頭蓋臉的轟擊，正在前沿指揮作戰的管帶林永升及大副陳榮和二副陳家瑩當場陣亡。烈火沖天，經遠艦上的水手在無人指揮的情況下，仍然堅持崗位，繼續向日艦還擊，直到最後沉沒。
下午4時，黃海海面上只剩下了定遠和鎮遠兩艦。來遠和靖遠因在之前的激戰受創嚴重，此時正在大鹿島附近修補，吉野號等四艘日艦緊隨而去。於是，黃海海戰的主戰場只剩下了定遠、鎮遠兩艦以及日本聯合艦隊的五艘主力艦。由於定遠、鎮遠裝甲厚、噸位大、主炮口徑大，極有利於防禦。拼殺多時，日艦狂飛的炮彈也未打穿兩艦的艦身，反而是松島號被兩艦打得艦體損傷嚴重，完全失去了作戰能力。這時，靖遠、來遠已修竣歸隊，平遠號、廣丙號和福龍、左一兩魚雷艇也隨之前來。更讓北洋水師官兵欣喜的是，在大東溝港內的鎮中號和鎮南號兩艘炮艦以及左二、左三兩隻魚雷艇也前來會合，北洋海軍軍威重振。考慮到剩下的四艘日艦非定遠、鎮遠所敵，吉野等拳頭部隊受創嚴重，日本聯合艦隊司令官伊東祐亨忙下令各艦開足馬力退陣。北洋水師追之不及，只好整隊駛回旅順港。至此，歷時4時40分的中日黃海海戰乃告結束。
這場海戰，北洋艦隊損失了五艘主力艦以及鄧世昌、林永升、黃建勳、林履中等數名優秀的管帶，看起來損失較大。實際上，定遠號和鎮遠號這兩艘鉅艦猶在，其他各艦亦可再接一戰。而日本聯合艦隊呢？雖然吹噓大勝，但他們的日子也不好過。旗艦松島號受損嚴重，進塢大修了幾個月還未完工；其賴以逞兇的吉野號情況也不樂觀。甲板上的所有設備幾乎被炮火全部摧毀，已喪失了戰鬥力。可以說，中日雙方在黃海海戰基本上不分勝負。但有一點不能忘記，清朝並未建立起自己的國防工業。故而，即使丁汝昌帶傷日夜督修傷艦，也只能修復力所能及的問題，解決不了主要配件缺失和炮彈不足的困難。誠如丁汝昌給李鴻章的報告中所言，“時下各艦備炮破損三分之一，修復之件尚未到達。平遠艦舵向運動不便也無榴彈炮彈，廣丙艦炮艦所剩僅60餘發。”反觀日本，戰前就能用本國搭建的工業體系造艦、造炮，軍艦的修理和保養不需假手於洋人。因此，李鴻章最終接受了德國顧問漢納根的建議，採用憑藉海防禦敵保船的策略。後來，任憑日軍如何挑戰，北洋水師始終拒不出港，直至全軍覆沒，給世人留下了一個懦弱怯戰的罵名。
124年後，專家在對經遠艦進行考古挖掘時，發現了74顆毛瑟步槍子彈。需知，近代海戰以遠程火炮對射為主，步槍作為近戰武器的幾無用武之地。發現步槍子彈彈殼，這就說明中日雙方的軍艦曾發生過近距離的接觸。在這種情況下，利用步槍對敵方甲板上的水兵進行殺傷往往會成為行之有效的攻擊手段。在前文所述經遠艦鏖戰的那段，戰史也記載過，經遠艦曾發起過類似致遠艦一樣的決死衝鋒，可惜在距離敵艦2000米時遭到了優勢敵艦的炮火猛轟而沉沒黃海。因此，這74顆子彈彈殼足可證明北洋水師的多數官兵均是逢敵敢亮劍的護國勇士，只不過清政府的腐敗無能束縛了他們的發揮。
