一八九四年九月十七日，即平壤陷落的第三天，日本联合舰队终于在鸭绿江口大东沟附近的黄海海面挑起—场激烈的海战。
日本海军在大同江外海面，集中了12艘军舰，包括其全都精华，即吉野、高千穗、秋津洲、浪速、松岛、千代田、严岛、桥立等八艘五千马力以上的主力舰和巡洋舰。
9月15日上午，北洋舰队的主力，计军舰10艘，附属舰8艘，在丁汝昌率领下到达大连湾。
16日凌晨1时，铭军的十个营共四千人分乘五艘运兵船，向鸭绿江口的大东沟进发。
16日中午，舰队抵达大东沟，到次日早晨，军队全都登陆。
17日上午8时，旗舰定远上挂出龙旗开始返航。
11时许，北洋舰队突然发现西南方向海面上有几簇黑烟，丁汝昌登上甲板了望，判定为日本舰队。于是立即命令各舰升火、实弹，准备战斗。
11时半，吉野先发现北洋舰队，发出信号“东北方向发现三艘以上敌舰”。
12时20分，日舰逐渐接近北洋舰队。
中午12时50分，北洋舰队旗舰定远首先开炮。
十秒钟后，镇远舰也发出炮弹，紧接着，北洋舰队各舰一齐发炮轰击。三分钟后，日本旗舰松岛也开始发炮还击。刹时间，双方各舰百炮一齐怒放，硝烟弥漫，海水沸腾。
开战之初，双方的力量对比如下：
| 火炮 | 鱼雷发射管 | 总排水量 | 总兵力 | 平均航速节 | |
| 北洋水师 | 195 | 27 | 2126 | 14.5 | |
| 日本舰队 | 268 | 36 | 3916 | 10.2 |
其中，日本第一游击队平均航速达19.4节。另据英国海军年鉴统计，当时速射炮的发射速度是原后装炮的六倍，由此计算，日本舰队的火力实际上相当于北洋舰队的三倍。 依航行次序，日舰配备情况如下：
第一游击队
| 舰名 | 舰长 | 排水量(吨) | 速度(节) | 主炮(门) |
| “吉野” | 河源要一 | 4,216 | 22.5 | 150mm速射炮4 |
| “高千穗” | 野村贞 | 3709 | 18 | 260mm2 |
| “秋津洲” | 上村彦之丞 | 3150 | 26 | 150mm速射炮4 |
| “浪速” | 东乡平八郎 | 3709 | 24 |
本队第一群阵：
| 舰名 | 舰长 | 排水量(吨) | 速度(节) | 主炮(门) |
| “松岛”旗舰 | 尾本知道 | 4278 | 16 | 320mm1 |
| “千代田” | 内田正敏 | 2439 | 19 | 120mm速射炮1 |
| “严岛” | 横尾道昱 | 4278 | 16 | 320mm1 |
本队第二群阵：
| 舰名 | 舰长 | 排水量(吨) | 速度(节) | 主炮(门) |
| “桥立” | 日高壮之丞 | 4278 | 16 | 320mm1 |
| “比睿” | 樱井规矩之左右 | 2284 | 13.2 | 170mm2 |
| “扶桑” | 新井有贡 | 3777 | 13 | 280mm2 |
本队左侧：
| 舰名 | 舰长 | 排水量(吨) | 速度(节) | 主炮(门) |
| “西京丸” | 鹿野勇之进 | 4100 | 15 | 120mm |
| “赤城” | 坂元八太郎 | 622 | 10.25 | 120mm |
北洋舰队的１２艘军舰配备情况如下：
| 舰名 | 舰长 | 排水量(吨) | 速度(节) | 主炮(门) |
| “定远”旗舰 | 刘步蟾 | 7335 | 14.5 | 305mm4 |
| “镇远” | 林泰曾 | 7335 | 14.5 | 305mm4 |
| “经远” | 林永升 | 2900 | 15.5 | 210mm2 |
| “来远” | 邱宝仁 | 2900 | 15.5 | 210mm2 |
| “致远” | 邓世昌 | 2300 | 18 | 210mm2 |
| “靖远” | 叶祖珪 | 2300 | 18 | 210mm2 |
| “济远” | 方伯谦 | 2300 | 15 | 210mm2 |
| “平远” | 李和 | 2100 | 14.5 | 260mm1 |
| “超勇” | 黄建勋 | 1350 | 15 | 250mm2 |
| “扬威” | 林履中 | 1350 | 15 | 250mm2 |
| “广甲” | 吴敬荣 | 1296 | 15 | 150mm2 |
| “广丙” | 程璧光 | 1000 | 17 | 120mm3 |
另外六艘舰艇为炮舰镇南、镇中和鱼雷艇福龙、左一、右二、右三。
战斗开始不久，北洋舰队旗舰“定远”舰由于下水12年，久已失修，舰桥被突然开火的大炮震塌，丁汝昌摔伤，信旗被毁。丁汝昌拒绝随从把自己投入内舱，坚持坐在甲板上督战。可是他只能鼓一舰士气，战斗刚开始，北洋舰队就失去了指挥。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。
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。日舰“比睿”、“赤城”、“扶桑”、“西京丸”“被北洋舰队截击。
“定远”、“来远”、“经远”重创“比睿”、“赤城”。“赤城”舰长坂元八郎太当场毙命。“西京丸”也受重伤。
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”舰受到日“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”冲在最前面，正遇上全身着火的“致远”舰。管带邓世昌下令撞沉“吉野”。“致远”舰向“吉野”号右舷高速撞去。日舰官兵见状大惊失色，拼命逃窜，并向“致远”舰连连发射鱼雷，“致远”舰躲过一条鱼雷后，不幸为另一条所中，全舰官兵共252名壮烈战死。
“经远”继续迎战“吉野”，也中弹起火，管带林永升、大副陈策阵亡，随后舰也被敌鱼雷击沉，全舰270人除16人获救外，全部殉难。“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，近年有不同看法)。“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”两舰顽强抵抗日舰本队的围攻，虽中弹甚多，几次起火，全体官兵仍然坚持奋战。
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，火焰引发装药，发生了大爆炸。“松岛”船轴倾斜5度，冒起白烟，火灾大作。日军炮塔指挥官海军大尉志摩清直以下100余人皆被击毙。死尸堆积，血流满船，“松岛”败走。
不久，“靖远”、“来远”抢修完毕，重新投入战斗。日舰“赤城”、“比睿”、“西京丸”被“定远”、“镇远”轰得不知去向，旗舰“松岛”已经瘫痪，“吉野”、“扶桑”也受了重伤，不能再战，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。
黄海海战历时5个多小时，其规模之大，时间之长，为近代世界海战史上所罕见。
海战的结果是北洋舰队损失“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舰受重伤(“西京丸”、“赤城”两舰被拖行后不久后沉没)，死伤官兵600余人。
黄海海战以后，由于北洋舰队嗣后不敢再战，日本基本上掌握了黄海制海权。