早在几路日军逼近平壤的同时，在大同江外海面，日本海军就集中了19艘军舰，千代田、桥立、高千穗、秋津洲、西京丸、比睿、八重山、筑紫、爱宕、摩耶、鸟海、天城、金刚、天龙、大岛、磐城、葛城、高雄、武藏，和六艘鱼雷艇：山鹰、七号艇、十二号艇、十三号艇、二十二号艇、二十三号艇，准备接应万一失利的日本军队。但后来见中国军队已经完全切断了日本军队南逃的退路，而中国舰队又开始朝他们压来，日本联合舰队司令伊东佑亨马上和睦仁天皇联系，决定迅速撤出黄海，撤回到日本海，保卫日本本土。
    平壤会战的失利，使他们如惊弓之鸟，在9 月15日日本舰队急忙起锚向南方逃蹿，由于听说朝鲜济州岛已经有中国海军，他们决定向琉球进发，从那里再转道回日本。
    由于担心中国舰队拦截，日本舰队是在午夜出发的，一路上没敢在任何港口露面，也没敢在任何地方补充淡水和给养，急惶惶如丧家之犬，拼命奔逃。军舰驶出了黄海也没遇到中国舰队，这使日本联合舰队司令伊东佑亨紧绷的心稍微松弛下来了，他搂着漂亮的女电报员，站在他自己的指挥舱里，看着海天一线的大海，揉捏着女人的肥乳，不仅感慨万千。
    近年来，日本以赶超中国海军为目标勒紧裤腰带造舰、训练海军，为的是打垮中国海军，为的是走进蓝色海域，谁知道天意弄人，那个看似不堪一击的清国，竟是韬光隐晦暗地造舰、训练海军，拿一些老掉牙的军舰来摆摆样子，迷惑我们，可叹大日本那么多精英都没识破他们的诡计，自以为可以一鼓作气消灭中国海军，结果落得如此下场，真是悲哀啊！
    他还在感叹时运的不济，比睿舰传来了紧急呼叫：“前面东南方发现了大批敌舰，极可能是中国的舰队！”
    这把他吓得一哆嗦，手里的烟斗也掉到了地上，他推开女人，急忙奔到了舵楼上，拿着望远镜朝东南方看去。那里确实有两缕黑烟，继而遥见三、四缕，于是判断可能是“北洋舰队三艘以上军舰在前方想拦截我们。”
    伊东佑亨立即传令改为鱼贯纵阵。于是，第一游击队居前，本队六舰继后，西京丸和比睿移至本队左侧，作为非战斗行列。双方舰队距离越来越近，在日本军舰上用望远镜已经能清楚地看到，中国军舰上“两臂裸露而呈浅黑色的壮士，一伙一伙地伫立在大炮旁，正准备着这场你死我活的决战”。伊东佑亨见北洋舰队阵势严整，怕士兵临战畏惧，特别下令准许“随意吸烟，以安定心神”。
    此时，北洋海军司令丁汝昌、副司令林泰曾、参谋长叶祖圭都登上旗舰定远号的舰桥，一面密切注视日舰动向，一面商讨对策。
    此次为实施我的围猎日本海军的计划，北洋舰队的主力已经全员出动了，计军舰17艘，这其中有刚参加舰队的从日本海军手里俘虏的七艘军舰，经重新维修后编入了北洋海军。即镇倭（原日本吉野舰），镇夷（原日本扶桑舰）、镇东（原日本大和舰）、镇西（原日本赤城舰）、安东（原日本浪速舰）、威海（原日本松岛舰）、营口（原日本严岛舰），另有附属舰8艘，在丁汝昌率领下从大连湾开始启航，并在航行中进行操练。
    九月十八日的11时，北洋舰队突然发现西南方向海面上有几簇黑烟，丁汝昌判定为日本舰队。于是立即命令各舰升火、实弹，准备战斗。霎时，战斗喇叭长鸣，响彻全舰队；各舰的烟囱都吐出浓烟，轮机兵将机室隔绝，进行强压通风，储蓄饱满火力和汽力，以备战斗行动。
    到了12时20分，迎面驶来的日舰逐渐接近，已经能清晰地分辨出19艘军舰和六艘鱼雷艇。丁汝昌对方见来势凶猛，觉得不可掉以轻心，为了发挥各舰舰首主炮的威力，他下令把阵形改为犄角雁行小队阵。此阵的要点是：每一小队中前舰为队长，其僚舰位于右后45度线上，相距400码，各小队间距1200码。同时，丁汝昌还向各舰管带发出以下指令：㈠各小队姊妹舰协同行动，互相援助；㈡始终以舰首向敌，发挥重炮威力；㈢全队尽可能集中，随同旗舰运动。
    具体分队情况是：旗舰定远和镇远两艘巨舰居中，为第一队；致远、靖远、威海（原日本松岛舰）、营口（原日本严岛舰），为第二队在左；镇倭（原日本吉野舰），镇夷（原日本扶桑舰）、安东（原日本浪速舰）、镇西（原日本赤城舰）为第三队居右；经远、来远、济远、广甲为第四队在右，镇东（原日本大和舰）超勇、扬威为第五队在左。由于两翼的第四、第五小队舰速较慢，所以变阵后的舰队形成一个扁Ｖ字形，向日舰的一字阵拦腰冲去。同时让第四小队担负起护卫附属舰的任务，第五小队担负准备收降日本军舰的任务。
    日本海军根据自己军舰速度快、舷侧速射炮多的特点，一直视单纵阵为制胜法宝。此时日舰见到北洋舰队的阵形，决定避开定远和镇远两艘巨舰，以快速的第一游击队先攻击敌人最薄弱的右翼。于是，行驶在一字阵前部的第一游击队由8节航速加速至10节，并向右转舵，渐渐地与本队拉开了距离。这样，一字阵就断为前后两截。
    北洋舰队司令发现这一变化，立刻下令开炮。紧接着，北洋舰队各舰一齐发炮轰击。三分钟后，日本在已经有六舰中弹，武藏舰沉没的情况下才开始还击。刹时间，双方各舰百炮一齐怒放，硝烟弥漫，海水沸腾。
    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经远、来远、济远、广甲四舰。
    高千穗、秋津洲和西京丸、天龙四舰集中火力猛攻，经远、来远竭力抗击，济远、广甲二舰也迅速夹击，镇倭（原日本吉野舰），镇夷（原日本扶桑舰）、安东（原日本浪速舰）、镇西（原日本赤城舰）四舰也迅速支援，致使日舰多处受伤，下午一时二十分，一颗炮弹穿入天龙弹药舱内，引起大爆炸，刹那间，黑烟遮蔽全船，天龙一分两截，迅速钻进海里。
    高千穗、秋津洲和西京丸三舰慌忙后撤，被从侧面横切过来的定、镇二舰封住了退路，三舰稍加犹豫就都淹没在炮火中，相继挂起白旗，企图逃蹿。但丁汝昌立刻发出严令：“如欲投降马上退到我左侧，向我舰缴械，接受我舰收降，否则格杀无论！”
    三舰见已经没有退路，而且也失去了战斗力，只好听命开到我舰左侧，接受镇东（原日本大和舰）超勇、扬威三舰的收降。
    日舰千代田、桥立发现这一情况，立刻朝我收降军舰扑来，超勇、扬威两舰迅速挡住敌舰，双方激战起来，威海（原日本松岛舰）、营口（原日本严岛舰）立刻以火炮支援，打得日舰相继起火，只好逃出射程之内。，
    但在此时扬威也在同时起火，右舷倾斜，不得不驶离战场，退到有我辅助舰的右方。
    日军在第一游击队开始炮击超勇、扬威的同时，以旗舰天城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，大岛的一颗炮弹击中定远的桅杆，正在舰桥上督战的丁汝昌被震落到甲板上，身受重伤。副司令林泰曾当即代为督战，指挥战舰不断变换方位，使日舰不能瞄准定位。
    此时，天城也成了北洋舰队的炮火集中打击的目标，十二时五十五分，一颗炮弹击坏天城的三十二公分主炮塔，天城见定、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八重山、筑紫、爱宕、摩耶、鸟海等舰，因速度迟缓，远远落在后面。被我舰队拦腰截为两段，形势大为不利。
    北洋舰队抓住时机发动猛攻，各舰以右翼炮轰击天城等前队，又以左翼炮轰击后面的千代田、桥立等舰。一时四分，天城的指挥舱被定远击毁，而其左翼的比睿见情势紧急，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。靖远见状遂停止炮击，携带步枪的突击队排列在甲板上，准备靠近比睿，将其俘虏。在危急中，比睿的速射炮拼命发射，五分钟内发射了一千五百多发，使靖远难以靠近。定远见此情形，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，顷刻间，烈火腾空，军舰失去战斗力。只好也打出白旗撤到我舰左侧，向我舰投降。
    见我舰紧逼日军本队军舰，日军的六艘鱼雷艇立刻冲上来缠住我舰队，使我舰只有定远、镇远和掩护他们的靖远和来远四舰冲了上去。
    镇倭舰和镇夷舰、镇东、镇西、安东、威海、营口七舰立刻围住日鱼雷艇猛攻，日山鹰艇被击中沉没，其余五艇继续死战，连连发射鱼雷，都被我舰击中，中途爆炸，爆炸把日军七号艇击中，也沉进了大海。剩下四艇慌忙逃蹿，十二号艇又被镇倭舰击中，沉入了大海。
    位于本队左侧的大岛舰，速度更为迟缓，落在最后。天龙舰驶离后，大岛孤立无助，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大岛舰桥，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，大岛仍不断中弹，舰上军官几乎非死即伤，势难支持，便也打出白棋，向我军投降。
    下午二时半，镇倭舰和镇夷舰、镇东舰、镇西舰、安东舰、威海舰、营口舰七舰消除了鱼雷艇的缠扰，冲了上来，千代田的右舷随即暴露在北洋舰队前方，立即遭到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。二时五十五分，镇倭舰见千代田受伤，便施放鱼雷。因两舰距离很近，千代田已躲避不及，当场爆炸沉没。
    安东、威海、营口又转而攻击日舰本队。当安东舰驶近金刚二千二百米时，突然发射二十六公分炮弹，击中金刚的中央水雷室，四名鱼雷发射手中弹身亡。金刚也发炮还击，炸毁了安东的二十六公分主炮，并引起火灾。安东见其势不敌，转舵撤出，致远舰邓世昌舰长立刻指挥致远猛轰金刚，逼得金刚挂出白旗，撤到我舰左侧。
    此时，日舰已经损失了9舰，联合舰队司令伊东佑亨见日舰已经处于绝对劣势，忙以本队集中对付已经离开本队的定远和镇远，第一游击队则合力进攻在定远和镇远右侧的靖远和来远。其意在使北洋舰队彼此不能相顾，争取先击沉较弱的靖远和来远，然后全军围攻两艘巨舰。靖远和来远在四舰围攻下，临时结成一队，以寡敌众，苦战多时。不久，来远中弹二百多颗，靖远也中弹一百多，二舰遂相随冲出重围，西驶至一海岛附近，占据有利地形，背靠浅滩，用舰首重炮对敌。日本第一游击队赶来后，因失地利，不敢靠近，只能远远发炮，失去四面围攻的优势。二舰趁机抓紧时间灭火修补。
    在原作战海域，定远、镇远是当时世界各国海军中罕见的铁甲巨舰，日军必欲将之击毁以全其功。是时，在日军榴霰弹的倾注下，二舰再三引起火灾。定远甲板部位起火，烈焰汹腾，几乎延烧全舰。镇远前甲板几乎形成绝命大火，将领集合士兵灭火，虽弹丸如雨，仍欣然从事，在九死一生中毅然将火扑灭。
    此时，我舰队已经成合围之势，联合舰队司令伊东佑亨感到不妙，慌忙下令撤出战斗继续向南逃蹿，三时半，当定远与日舰桥立相距二千米时，定远发出的三十公分半巨弹命中桥立，轰然爆炸，击毁第四号速射炮，其左舷炮架全部破坏，并引起堆积在甲板上的弹药爆炸，刹那间，烈火吞没舰体，浓烟蔽空，状至危急，死伤官兵达一百一十三人，也只好加入了投降的队伍。
    舰队司令伊东佑亨见本队各舰多已受伤，无力再战，而北洋舰队集合各舰，愈战愈奋，便再次发出“停止战斗”的信号，继续向南驶逃。北洋舰队便停止追击，转舵驶向旅顺。历时近五小时的中日东海大海战至此结束。
    这次中日海军的主力决战的结果，日舰武藏、天龙、千代田三舰和山鹰、七号艇、十二号艇三艘鱼雷艇被击沉没；高千穗、秋津州、西京丸、比睿、大岛、金刚、桥立七舰受重伤丧失了战斗力后投降，使其损失超过半数。北洋舰队靖远和来远、安东、扬威四舰皆受重伤退出战斗。中国海军大获全胜。
    上甘岭战役、平壤战役和威海卫海战、黄海海战的消息传出，国际舆论为之一变。英国《泰晤士》报在战争爆发初期曾说：“战争之胜利必归于日本。日本强大之海军可阻止中国军队之运送船，并在同中国之海战中制胜。中国是一盘散沙，它要想取胜实是天方夜谭！”这时也说：“中国军队的迅速崛起，使我们在东亚的势力受到威胁，当迅速遏止中国力量的再增长！”
    一向关心这场战争的俄国报纸评论说：“倭国所以兴起战端之近因，实以为中国已是腐朽之烂木，一击而断，不料中国实行君主立宪之后，已非昨日阿瞒，故此次与中国之冲突，与其说非策略之战争，莫如称之为糊涂之战争。”
    但俄国王宫发言人则认为：“中日战争中日本之失利，不在日本之国力不如中国，而在于军队指挥之无方，倘我军出征，胜败当另有定论！”
    见我军挥师南下，英国政府立刻声明，要求中国政府保持克制态度，要信守过去中日关于共管朝鲜的协议。
    俄国政府则要求中国军队和日本军队都撤出朝鲜，由第三国军队进驻朝鲜，避免中日再起战端，并且表示愿意为两国友好合作贡献力量。
    脸皮之厚无与伦比！
    法国则威胁说：“中国不能无视国际公理，应当马上从朝鲜撤出中国军队，否则法国会为主持公理而出兵。
    强盗嘴脸暴露无遗！
    大清国外长曾纪泽立刻约见英国、法国和俄国驻华公使，就三国不负责任的语言表示强烈抗议，同时指出大清政府不畏强权，谁想从中捣乱，就得考虑一下自己的下场！
    英国和法国虽然不服，却也没敢擅动，但俄罗斯却把军队推进到朝鲜边境，意欲越境干涉！