12時05分，聯合艦隊第一游擊隊在先，以吉野號為首，本隊在後，呈單縱陣，接近北洋水師。
12時20分，北洋水師在行進中由雙縱陣改為橫陣，旗艦定遠位于中央，其余各艦在其左、右依次展開，艦隊呈楔形梯隊。但北洋艦隊初衷是排成緊湊的夾縫雁行陣，而實際則排成松散橫陣，類似「人」字形。原因有三種猜測，一種是北洋海軍各艦傳令兵傳遞命令發生錯誤；一種是部分北洋海軍將領怯戰而縮于陣後；而最接近事實的猜測是，計劃位于陣型兩翼的戰艦（濟遠，廣甲，超勇，揚威）基本為航速緩慢的老艦，卻需要航行最遠距離達到兩側。在沒來來得及完成陣型部署的情況下，戰斗已經打響。
鴨綠江口外海，大鹿島海域，集中了兩國幾乎全部主力艦艇。
12時50分，雙方艦隊相距5300米，北洋水師旗艦定遠艦首先開炮。聯合艦隊第一游擊隊在距北洋水師5000米處即向左轉彎，航向北洋水師右翼。聯合艦隊航向北洋水師右翼，冒險將艦隊于北洋水師陣前。
12時53分，聯合艦隊旗艦松島開始發炮還擊。在日軍的第一輪排炮下，定遠主桅中彈，信號索具被炮火所毀（一說因戰船老朽發炮時震塌飛橋），在飛橋上督戰的丁汝昌身負重傷。從此時起，北洋水師各艦除能隨定遠進退之外，已經失去了指揮。
日本第一游擊隊四艦，一面以猛烈炮火射擊，一面加快速度，橫越北洋艦隊陣前，左轉舵，改道飛馳，繞攻北洋艦隊右翼之超勇、揚威二弱艦。超勇、揚威均為1881年(光緒七年)下水的陳舊兵艦，艦齡已達十三年。且「艦中隔壁，俱為木造，施以油漆，粉飾外觀」。實際上，老朽陳舊，速度遲緩，炮火不濟，防御力極弱。二艦雖竭力抵抗，但在敵人四艘快速巡洋艦的一舷齊射的優勢火力攻擊下，終于中彈起火。
但是，當日本第一游擊隊繞過北洋艦隊陣前，環攻右翼超勇、揚威時，其本隊六艦恰好駛至北洋艦隊犄角雁行陣"人"字形的前方。北洋艦隊各艦艦首恰恰指向敵艦船月復。于是，北洋艦隊各艦以艦首主炮猛烈轟擊敵本隊六艦。比睿、扶桑、西京丸號、赤城等後續諸艦，因速度遲緩，落于後方，被北洋艦隊「人」字形陣尖將日本本隊六艦組成之單縱陣攔腰截斷，分割為二，這時，定遠、鎮遠及右翼各艦發右舷炮火猛轟敵艦松島、千代田、嚴島、橋立；左翼之致遠、靖遠等艦則發左舷炮火截擊比睿、赤城等後續各艦。在北洋艦隊的猛烈炮火轟擊下，比睿、赤城等「不能航行，終成孤軍」，遭到北洋艦隊的痛擊。比睿中炮燃起大火，赤城號連連中彈，艦長板元八郎太被擊斃，西京丸號也遭到重創。
日艦倉皇逃竄，北洋水師奮起直追。這時(2時5分)，第一游擊隊已通過北洋艦隊右翼，正擬轉入北洋艦隊背後，伊東祐亨急忙發出信號，命令第一游擊隊回救比睿、赤城。第一游擊隊奉召立即向左轉舵回駛，以高速向比睿、赤城與北洋艦隊之間運動，用左舷炮火射擊，且擊且進。赤城、比睿得救，乘機逃離戰場。
此時，原停在大東溝口外的平遠號防御鐵甲艦、廣丙及魚雷艇，應召前來助戰。駛到北洋艦隊右翼後方，適與日本本隊相遇，各艦立即向日艦發起攻擊。2時34分，「平遠發射二十六公分炮彈一發，命中松島左舷軍官室，貫穿魚雷用具室。打死左舷魚雷發射員四名」。3時10分又中一炮，炮彈「打穿左舷中央魚雷室上部，在大檣下部爆炸。打死左舷魚雷發射員二名」。3時15分，嚴島又被平遠擊中兩炮。但同時平遠亦被日艦擊中起火，被迫退出戰場。這時，日艦本隊已駛過北洋艦隊右翼，繼續向右轉舵，繞至北洋艦隊背後，恰好與第一游擊隊形成對北洋艦隊夾擊之勢。于是，日本艦隊處境開始轉向上風，北洋艦隊因被包圍，處于內線作戰，月復背受敵，轉趨不利地位。在這一刻開始勝利的天平開始向日本方向傾斜了。
北洋艦隊雖月復背受敵，形勢不利，但廣大官兵毫不畏縮氣餒，反而「愈戰愈奮，始終不懈」。提督丁汝昌身受重傷，不下火犀置個人生命安危于不顧，裹傷後，坐于甲板上鼓舞士氣，「激勵將士，同心效命」。右翼總兵定遠管帶劉步蟾于丁汝昌負傷後，「代為督戰，指揮進退」，尤為出力。廣大士兵頑強奮戰，不怕犧牲的愛國主義精神更為感人。就連親身參加海戰的定遠副管駕英人泰萊也承認︰「眾士兵均獰厲振奮，毫無恐懼之態。當予巡視時，一兵負重傷，同侶囑其入內修養；及予重至此炮座，見彼雖已殘廢，仍裹創工作如常"。超勇、揚威雖被日本第一游擊隊擊中起火，但並止戰斗。官兵們一面救火，一面抗擊。」特別是超勇艦體雖已左右傾斜，然猶以前部炮火發射不停。當比睿冒險闖入北洋艦隊陣中，企圖抄近路與本隊會合時，適與超勇相遇。超勇在烈焰升騰中也不肯放過敵艦。一面救火，一面向比睿發炮轟擊，表現了同敵人血戰到底的英雄氣概。之後，敵艦本隊繞至北洋艦隊陣後，聚攻超勇。超勇孤立無援，2時23分，終于在敵艦炮火叢集下，于東經123度32分1秒，北緯39度35分海面沉沒。管帶黃建勛落水，「左一」魚雷艇駛近相救，拋長繩援之，黃不就，從容死難，艦上士兵也大部壯烈犧牲。
致遠號官兵奮勇殺敵，視死如歸的英雄氣概，尤為可欽可佩，可歌可泣。在管帶鄧世昌指揮下，致遠號縱橫海上，與敵奮戰，中彈累累，受傷欹側。在激烈的戰斗中，炮彈垂盡。這時，恰與日艦吉野相遇。鄧世昌見吉野恃其船捷炮利，橫行無忌，氣憤地對大副陳金揆說︰「倭艦專恃吉野，苟沉是船，則我軍可以集事。」決意與之沖撞，同歸于盡。準備以已之犧牲，保全軍之勝利。陳金揆深為感奮，遂鼓快車向吉野猛力沖突。日本官兵見狀大驚失色，集中炮火向「致遠」射擊，「致遠」艦右側魚雷發射管被擊中，引起大爆炸，3時30分，以右舷傾斜，在東經123度34分，北緯39度32分的黃海海面上沉沒。全艦官兵除七名遇救外，全部壯烈殉國。
鄧世昌墜海後，隨從劉忠跳入海中以救生圈援救，使之浮出水面。鄧世昌以「闔船俱沒，義不獨生」，仍復奮擲自沉。鄧世昌平時蓄一愛犬，游至身爆以口餃世昌臂，使之不沉。世昌揮之不去，並以口餃其發辮。鄧世昌抱決與全艦將士同生死、共存亡的決心捺犬首于水，自己也沉沒于洶涌的波濤之中，犧牲時年僅四十六歲。
(