1894年9月17日(平壤陷落的第三天)，日本聯合艦隊在鴨綠江口大東溝附近的黃海海面挑起—場激烈的海戰。
當日，在大同江外海面，日本海軍集中了12艘軍艦，包括其全部精銳：吉野、高千穗、秋津洲、浪速、鬆島、千代田、嚴島、橋立等八艘五千馬力以上的主力艦和巡洋艦。
甲午黃海海戰圖。
而清政府的北洋艦隊，在丁汝昌率領下，十艘主力軍艦，附屬艦八艘，將銘軍的十個營共四千人分乘五艘運兵船運達大東溝後，於上午8時，旗艦定遠上掛出龍旗開始返航。
開戰之初，雙方的力量對比如下：
火炮魚雷發射管總排水量總兵力平均航速節北洋水師195 27212614.5日本艦隊268 36391610.2
不久，北洋艦隊發現西南方向海面上有幾簇黑煙，丁汝昌登上甲板瞭望，判定爲日本艦隊，於是命令各艦進入備戰狀態。
日艦也發現了北洋艦隊，並逐漸靠攏過來。
北洋艦隊旗艦定遠首先開炮，日本旗艦鬆島隨後發炮還擊，雙方不宣而戰，世界上首次大規模鐵甲艦戰役由此開始。
北洋艦隊旗艦“定遠”艦由於建造於1881年，久已失修，艦橋被突然開火的大炮震塌，丁汝昌受傷，信旗被毀。
丁汝昌拒絕躲避，堅持坐在甲板上督戰。
因此，北洋艦隊一開始就失去了指揮。
黃海海戰。
日第一遊擊隊4艦利用航速優勢繞攻北洋艦隊右翼“超勇”、“揚威”，二艦相繼被擊中起火，退出戰鬥，最終“超勇”沉沒。
日艦“吉野”被北洋艦隊擊中起火，但很快被撲滅，其他戰艦“比睿”、“赤城”、“扶桑”、“西京丸”被北洋艦隊截擊。
北洋艦 “定遠”、“來遠”、“經遠”重創“比睿”、“赤城”。“赤城”艦長阪元八郎太當場斃命。“西京丸”也受重傷。
下午五時左右，“靖遠”、“來遠”修補好後，立即投入戰鬥。同時“平遠”、“廣丙”及炮艦“鎮南”、“鎮中”，魚雷艇“福龍”、“左一”、“右二”、“右三”都奉命出港會合，北洋艦隊軍威大振。
日本聯合艦隊害怕定遠、鎮遠諸艦會合魚雷艇進行襲擊，不敢再戰。開足馬力駛離戰場。北洋艦隊定、鎮、靖、來、平、丙6艦在後尾追，但速度不及日艦，便停止追擊，轉舵駛向旅順。歷時近5小時的中日黃海海戰至此結束。
至此，歷時五個多小時的黃海海戰結束。
北洋水師損失致遠、經遠、超勇、揚威、廣甲5艘軍艦，來遠受重傷，死傷官兵約600人;日本艦隊鬆島、吉野、比睿、赤城、西京丸5艦受重傷，傷亡239人。
北洋水師退回旅順、威海後，奉行李鴻章的“避戰保船”不再出戰，日本聯合艦隊控制了黃海制海權!
