日本联合舰队由于射程比北洋舰队短，冒着弹雨向前迫近。
12时52分，松岛舰在离北洋舰队3500米处开炮迎击。
12时55分，日舰严岛舰开炮，第一游击舰队吉野舰开炮射击右翼最弱的超勇舰和扬威舰。
12时58分，日舰桥立开炮。
13时日舰千代田开炮。日本舰队改变了战法，集中火力攻打北洋舰队旗舰定远舰，日舰摧毁了定远舰的信号装置，破坏了旗舰与其他军舰的联络手段。
然后北洋舰队信号手人数不足，加上各舰信号理解能力不可靠，各舰行动不能一致。
由于北洋舰队中的超勇舰和扬威舰是旧式巡洋舰，非铁甲舰，航速慢，火力弱，在日舰第一游击舰队猛攻下，燃起大火。
由于这两艘舰内部隔舱俱为木结构，难以扼制火势蔓延。
13时30分，超勇舰沉没，其姊妹舰扬威重伤。扬威舰在前往浅水区自救时，被高速逃跑的济远号穹甲巡洋舰拦腰撞上，不久后沉没，其舰长林履中悲愤自杀。
14时40，清朝军舰平远舰，广丙舰和4艘鱼雷舰前来参战。
左翼，北洋舰队猛攻日本弱舰赤城，13时25分该日舰舰长被炸毙。
14时日舰比睿、赤城陷于北洋水师的合围之中，分别起了大火。随后又猛攻日舰西京丸。
期间前来参战的鱼雷舰福龙号先后近距离向西京丸发射3枚鱼雷，由于当时鱼雷武器尚不成熟（那时海军所使用的鱼雷定深是在基地工厂完成，鱼雷艇不具备临时调整定深的可能性，所以鱼雷入水过深没有命中日舰。），未能击中西京丸。
随后西京丸得以逃脱，单独返回日军锚地。
其间，清朝自造的平远舰先后击中日旗舰松岛。
15时5分，定远舰中弹舰腹起火，致远舰为了保护旗舰在旗舰前方迎敌，造成被日舰围攻。定远舰得以顺利灭火，而致远舰受到重创。
15时30分，致远舰下水线左右弦各有10英寸和12英寸大洞，军舰随时可能沉没。致远舰管带邓世昌下令开足马力撞沉日主力舰吉野舰。
日舰围攻致远舰，由于战前日舰的速射炮是清朝海军的3倍多。加上致远舰是半铁甲舰，又已在倾覆边缘，最终被击沉（一说被鱼雷击沉，但理论上不可能）。
15时30分，镇远舰2发炮弹命中日旗舰松岛4号炮位，引起堆积在甲板上的弹药大爆炸，松岛舰一片火海，失去作战能力，旗舰移至日本自造的桥立舰。
随后济远舰自行驶出战场，广甲舰效仿。
然后靖远舰、经远舰、来远舰因火势而退去。
16时16分，平远，广丙因伤退出战场。
日本第一游击舰队由于航速很快，追击靖远舰、经远舰、来远舰，17时30分，经远舰被击沉。在经远舰与敌相持时，靖远舰、来远舰得以灭火堵漏，向定远舰、镇远舰靠近，随后平远舰，广丙舰也归附过来。
17时45分，所剩的日本联合舰队本队5艘战舰撤退，北洋残余6舰追击一阵，就退回旅顺港，激烈了5个多小时黄海海战又叫大东沟海战----海战史上铁甲舰队的首次决战就这样悲壮地宣告结束。
大东沟海战后，北洋水师退守威海卫军港，在后来威海保卫战中，定远舰不幸被日军鱼雷艇偷袭成重伤搁浅，定远舰只能充当浮动炮台，同时被击沉的还有装甲巡洋舰来远号和北洋水师练习舰威远号，在被偷袭后，定远舰用舰艉150毫米克虏伯副炮还击，击毁了日军前来偷袭的“第九号”鱼雷艇，这也是甲午海战中唯一被北洋水师击沉的日军军舰。
最后丁汝昌下令由北洋水师自行炸毁定远舰（注意，并非有些版本中的自沉），以免资敌，最终定远舰的残骸被攻占了威海卫的日军拆卸带回日本。
在福冈有一座“定远馆”，是用定远舰的遗物建成的，这也是定远舰现存遗物最多、最集中的地方，另外，在佐世保海军公墓中保存有一枚定远舰305毫米主炮的炮弹。
而定远舰的同级姊妹舰镇远舰于1894年11月14日进港时不慎触礁受伤，又由于旅顺船坞被日军攻占而无处修理，已不可能出海作战，管带林泰曾因此引咎自杀 。
镇远舰之后在刘公岛被原先的大副后来的管带杨用霖修复好，于1895年2月17日被日军缴获，屈辱地编入了日本海军，之前孤守刘公岛时在北洋水师主要将领都自杀前曾计划将镇远舰自沉，但是怕迁怒日本人而最终没有这样做。
日本防卫省至今保存了一套黄黄海海战中日本军舰受损情况图。
这套图是1894年9月17日黄海海战后，日方对参战军舰受伤情况所做的绘图记录，从中可看到：