海战打响后，日舰第一游击队见北洋舰队来势凶猛，特别是“畏定、镇二舰甚于虎豹”，所以一面发炮一面加速从定远、镇远二舰前面夺路而行，直扑北洋舰队的薄弱右翼超勇、扬威二舰。吉野、高千穗、秋津洲和浪速四舰集中火力猛攻，超勇和扬威竭力抗击，日舰多处受伤。但舰龄达十三年以上的超勇、扬威毕竟不敌号称“帝国精锐”的第一游击队，下午一时二十分，黄建勋，左翼右营副将，超勇号管带在他指挥下，全舰官兵无不誓死作战，但“超勇”毕竟是舰龄十余年的老舰，终究敌不过日本游击队的四艘主力舰，激战中“超勇”舰中弹甚多，特别是一敌弹击穿舱内，引起大火，刹那间“超勇”全舰被黑烟笼罩，由于“超勇”舰是木质舰身，舱内起火无法施救，不久就右舷倾斜，难以行驶，最终被烈火焚没。黄建勋落水后，“左一”鱼雷艇驶近相救，抛长绳援之，不就而没，时年43岁。
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扬威也受重伤，各炮已不能转动，在日舰轮番轰击下，不得不驶离战场，但又搁浅。林履中，右翼右营副将，扬威号管带，“扬威”是北洋水师中舰龄较老，作战和防卫能力较弱的老舰，又处于右翼阵脚最外侧。由于北洋水师阵列跨度较大，“定远”、“镇远”的炮火不能支援到两侧阵脚的战舰，于是“扬威”便遭到日本游击队":吉野":等四舰的猛攻。“扬威”先后中弹起火，正在此时，“济远”舰竟然转舵逃跑，“撞扬威舵叶，扬威行愈滞，敌弹入机舱”，舱内弹炸火起，“渐不能支”。在此危急时刻，林履中亲率千总三副曾宗巩等发炮攻敌不止。但":扬威":首尾各炮已不能转动，而敌炮纷至，舰身渐沉于海。林履中登台一望，奋然蹈海，都司帮带大副郑文超和守备二副郑景清同时落水。当时，“左一”鱼雷艇驶至，投长绳相援，林履中推而不就，随波而没，时年43岁。时人赞他“见危授命，激烈效忠，其所谓临大节而不可夺者”。
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在第一游击队开始炮击超勇、扬威的同时，以旗舰松岛为首的日舰本队也到达定远舰的正前方，双方展开了猛烈的炮击。十二时五十三分，松岛的一颗炮弹击中定远的桅杆，打坏定远通讯器，此时刘步蟾在汉纳根的协助下督战，指挥战舰不断变换方位，使日舰不能瞄准定位。
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沈寿?在“定远”舰督炮击敌，重创日舰“松岛”、“比睿”、“赤城”、“西京丸”。这时“定远”305mm口径大炮发射一枚30公斤炮弹，击中日本旗舰“松岛”右舷下甲板，击毁第四号速射炮及左舷全部炮架。死伤达二十四人。
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松岛号舰长尾本知道在司令伊东佑亨的吩咐下，忙令军舰上的军乐队补充已阵亡士兵的位置继续战斗。
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由于敌舰攻击北洋旗舰，作为报复北洋水师将士也回过头来攻击日舰旗舰。此时，松岛也成了北洋舰队的炮火集中打击的目标，十二时五十五分，一颗炮弹又击坏松岛的三十二公分主炮塔，松岛见定、镇二舰炮火强大，急忙率本队转舵向左，加速驶避。北洋舰队也全队随之向右转舵，继续以舰首指向日舰。而位于日舰本队后半部的比睿等舰，因速度迟缓，远远落在后面。这样，本队便被拦腰截为两段，形势大为不利。
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北洋舰队抓住时机发动猛攻，各舰以右翼炮轰击松岛等前队，又以左翼炮轰击后面的三舰。一时四分，松岛的七号炮位被定远击毁，而比睿已被靖远赶上，相距仅七百米。比睿见情势紧急，向右急转弯，试图从靖远和定远之间穿过，与本队会合。然而，比睿立即遭到北洋舰队的包围，炮弹从四面飞来，伤亡严重。靖远叶祖贵见状遂下令停止炮击，携带步枪的突击队排列在甲板上，准备靠近比睿，将其俘虏。然而事与愿违，樱井规矩之舰长在危急中，急令速射炮拼命发射，五分钟内发射了一千五百多发，迫使靖远难以靠近。
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沈寿?见此情形，从右后方发炮轰击。比睿被其三十公分半巨弹击中，下甲板后部全部毁坏，舰上十九人当场炸死。顷刻间，烈火腾空，舰艇失去战斗力。一时五十五分，比睿依靠其速度逃出北洋舰队的炮火网，并挂出“本舰火灾退出战列”的信号，向南驶离。
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位于本队左侧的赤城舰，速度更为迟缓，落在最后。比睿驶离后，赤城孤立无助，完全暴露在北洋舰队左翼的炮火下，中弹累累。一时二十分，定远后部的十五公分炮弹击中赤城舰桥，一号炮手、二号炮手及两名水兵中弹身亡，正在看海图的坂元舰长被弹片击中头部，鲜血染红了海图。坂元死后，赤城仍不断中弹，舰上军官几乎非死即伤，势难支持，便转舵向南驶离。来远在后尾追，连连发炮，先击倒大樯，又中舰桥，代理舰长也受了伤。到下午二时半，赤城总算逃离作战海域。
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此时北洋舰队二舰被击沉，小日本舰队二舰重伤，失去战斗能力而退出战斗队列。
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下午二时半，平远、广丙两舰以及福龙、左一两艘鱼雷舰加入战斗。黄海海战打响时，当时沿大东沟近岸航行担任舰队侧翼警戒的鱼雷左一营都司蔡廷干，立即率领“福龙”号及本部鱼雷艇队尾随“平远”、“广丙”两舰奔赴大东沟海域参战。下午2时30分，“平远”、“广丙”两舰首先与日舰“西京丸”、“岩岛”及旗舰“松岛“号交战。当时日舰比睿、赤城刚刚逃出战区，西京丸的右舷随即暴露在北洋舰队前方，立即遭到平远、广丙等北洋舰队各舰炮火的猛烈轰击。其舵机遭到损坏，只能靠人力舵勉强航行。不久，右舷又中一弹，立即出现裂缝，渗进海水。程璧光指挥“广丙”舰不断的击中敌舰，当平远驶近松岛二千二百米时，突然发射二十六公分炮弹，击中松岛的中央水雷室，四名鱼雷发射手中弹身亡。松岛也发炮还击，炸毁了平远的二十六公分主炮，并引起火灾。平远见势不敌，转舵驶避。两舰虽然都首发命中“松岛”及“西京丸”并引起大火，终因本身火力太弱，又系木质船身先后被日舰还击受创退出战斗。海战中，程璧光腹部被弹片击中，血染内衣。
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面对强大的日本舰队，蔡廷干毫不畏缩，指挥属下艇队，把日方军旗舰舰“松岛”从舰队编队中分割开来，自己指挥“福龙”号向“西京丸”发射鱼雷，由于距离太远而没有命中。面对敌舰猛烈炮火的射击，蔡氏昂然挺立在指挥台上，下令“福龙”号全速衔尾向“西京丸”急进。当逼近敌舰约三十米时，“西京丸”连发三枚鱼雷，“福龙”号转舵避开。其后，“福龙”号立即折回，全速冲向“西京丸”舰首，又发射出一枚鱼雷。根据当时在舰上指挥作战的日本海军军令部长桦山资纪中将的《回忆录》文中描述：“目睹此情，本舰已无法躲避，我也只好闭目待毙。”谁知鱼雷竟然从舰底穿过，其他将校也相对默然。但是因为距离太近，鱼雷从舰下穿过，未能触发，西京丸得以保全，向南驶离战场。无奈鱼雷已经用完，“福龙”艇遂全速退出战斗。中途救起不少堕海飘浮的北洋海军将士。
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此时，小日本舰队还剩九舰，与北洋舰队的八舰相对。第一游击队已经迂回到北洋舰队的背后，与本队策应夹攻，使北洋舰队首尾难以相顾。由于日舰以排炮击毁定远的信号装置，使其指挥失灵。
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北洋舰队诸小队虽然只能各自为战，队形也凌乱不整，但将校用命，士气未减。丁汝昌负重伤不能站立，裹伤后始终坐在甲板上激励将士。
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三时四分，定远舰腹忽中一炮，猛烈的火焰从炸开的洞口喷出，定远忙集中人力灭火，攻势转弱而火势不减。日舰第一游击队趁机驶近攻击。镇远、致远见此情形，急速向旗舰靠拢，迎战日舰。定远的火灾终于得以扑灭，但致远舰却中弹累累。下午三时二十分，数颗榴弹同时命中其水线，并引起鱼雷发射管内的一颗鱼雷爆炸，右舷随即倾斜。关键时刻，致远舰因缺乏堵塞水门的橡皮，未能阻止大量海水从裂缝涌入。见此情形，管带邓世昌依然指挥若定，下令军舰撞向吉野。奈何吉野用其速射炮猛烈攻击致远舰首，加速了舰首的下沉，最终使得致远舰推进器悬空，大头朝下沉没。
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据美籍海员马吉芬记载：“瞬间，该舰即向一方倾斜。最以勇敢著称之邓舰长世昌，早经觉悟已迫于最期，能破敌一舰，斯可以洁此生，故毅然决然出于杀身成仁之举。冒敌舰所发巨弹有如雨霰，加之自舰倾斜已甚，致功业成之际遽尔颠覆，舰首先行下沉，推进器直现于空中，犹在旋转不已。惜哉，壮哉！”
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邓世昌落水后，拒绝接受救生圈，鱼雷艇左一也来救助，亦不应。其爱犬游到身边衔其臂，被他用力按入水中，自己也随之没于波涛中。全舰二百五十余名中外官兵，除七人获救外，全部葬身大海。战后，邓世昌之死震动了朝野，光绪帝闻其牺牲得极为壮烈，遂亲笔赐挽联“此日漫挥天下泪，有公足壮海军威”，又作诗一首云：“城上神威炮千斤，枉资剧冠挫我军；后来无道终许汝；
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致远沉没后，位于北洋舰队左翼外侧的济远、广甲二舰就变得孤立于本队了。开战后，济远数次中炮，伤亡十余人，管带方伯谦便挂出“本舰重伤”信号。后来，他看见致远沉没，连忙转舵向西驶离战区，于半夜二时许回到旅顺港。广甲管带吴敬荣见济远西驶，也随之而逃，半夜驶至大连湾外时，慌不择路，船底触礁搁浅。吴敬荣弃船登岸，两天后广甲被日舰驶近击毁。战后，李鸿章奏请严厉惩办逃将，九月二十三日，军机处电寄谕旨：方伯谦军前正法，吴敬荣革职留任。次日拂晓，方伯谦被押至旅顺黄金山下斩首。
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济远、广甲逃离后，第一游击队死死咬住经远一舰，四面围攻。经远以一抵四，并无畏惧，拒战良久。林永升，左翼左营副将，经远号管带同左翼左营守备陈京莹协同御敌救火，毫不畏惧，表现极为出色，激战中，管带林永升头部中炮牺牲，随后帮带大副陈荣也中炮壮烈牺牲，接着陈京莹接替指挥，全舰将士戮力奋战，不久陈京莹也中炮阵亡，陈京莹牺牲后，经远水兵在没有指挥官的情况下仍然坚持作战。此时，四艘日舰逼近到二千米以内，用速射炮实施近距离打击，终于将经远击沉。全舰二百七十余人中，除十六人获救生还外，其余全部遇难。
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至此北洋舰队二主力舰沉没、二舰逃走，只剩下定远、镇远、靖远、来远四艘主力舰；小日本舰队一舰重伤逃脱，尚有九艘战舰。日本方面跃居绝对优势。