黃海大東溝海戰進行到下午13時15分以後，北洋艦隊初期接戰的十艘軍艦中，「超勇」號撞擊巡洋艦已含恨沉沒，日本的赤城號沉沒、高千穗也沉沒。而日本聯合艦隊的「扶桑」、「比睿」二艘軍艦在北洋艦隊左翼艦只的打擊下先後重創。
下午13時許，在大東溝警戒的平遠、廣丙兩艦以及福龍、左一兩艘魚雷艦加入戰斗。
北洋艦隊的後續兵力「平遠」、「廣丙」以及魚雷艇隊的到來，使得膠著了近2個多小時的海戰場上又掀起了一段戰斗高潮。雖然到此時為止北洋艦隊只損失了一艘戰艦，日本聯合艦隊也有四艘軍艦在交戰中先後失去戰斗力。
但是實際上，北洋艦隊以小隊為單位的主動出擊戰術並未能實現戰前設定的目標。第一時段的激烈戰斗過後，沒有能給日本聯合艦隊造成大的損失，反而北洋艦隊在戰場全局上已經陷入了相當尷尬的境地。日本聯合艦隊經過開戰初期的適應調整，付出了數艘軍艦受創月兌隊的代價後，制定和逐漸完成了對北洋艦隊月復背夾擊的布署。而且日本聯合艦隊主力編隊具有航速高、行動敏捷的特點，利用機動力方面的優勢可以始終保持與北洋艦隊拉開適當距離，使得航速本就遲緩的北洋艦隊無從逼近發起亂戰沖擊戰術，迫使其只得進行自己並不佔優勢的炮火對抗。並且聯合艦隊本隊和第一游擊隊的編隊隊形依舊基本完整，運動自如，日本艦隊在炮位數量、火炮射速以及彈頭裝藥威力等方面具有的巨大優勢足以從火力上完全壓倒北洋艦隊。
此時，日本第一游擊隊已經迂回到北洋艦隊的背後，與本隊策應夾攻，使北洋艦隊首尾難以相顧。
14時10分，日本二等鐵甲艦「扶桑」號突奏奇功，「扶桑」艦中央八角台炮房內的一門240毫米克虜伯後膛炮擊中了「定遠」艦，重達160千克的炮彈剛好命中「定遠」艦沒有防護的艦首部位，毫不費事地穿透外壁的船殼板後直入艦內！
一時間，位于戰場中央的軍艦都能夠很清楚的看到，「定遠」艦幾乎已經完全處在了濃煙的包圍中，而且艦首部位還在不斷地向外迸射著火光，恍若在烈火中苦苦掙扎的蒼龍。
北洋艦隊旗艦陷入大火之中，火炮射擊也完全停頓了下來，看到這樣的情形，日本聯合艦隊軍艦上到處都充滿著狂歡的氣氛，將近十年以來，日本全國上下都視「定遠」為虎豹而寢食難安，節衣縮食、費盡周章想要摧毀這艘亞洲第一巨艦及其代表的中國海軍，此刻，夢想眼看就要變為現實了。為了不放過這個難得的奪功機會，坪井航三指揮第一游擊隊三艘新銳巡洋艦逼近已無還手之力的「定遠」，集中大小炮火加以聚攻，伊東佑亨指揮的本隊各艦也在背後不斷攻擊，彈雨澆注在「定遠」身上，爆炸聲不斷響起，情勢萬分危急。
正在司令塔內忙于指揮操舵，以使軍艦盡量躲避日方攻擊，爭取滅火自救機會的「定遠」艦管帶劉步蟾，猛然發現在他的左側，廣東人鄧世昌指揮的「致遠」艦靠攏了過來，排水量僅有2300噸，沒有任何豎甲防護的穹甲巡洋艦「致遠」駛出了「定遠」之前。「
「致遠」艦在用自己並不厚實的身軀默默地為旗艦遮擋著炮彈！緊接著，位于「定遠」右側，由林泰曾、楊用霖指揮的「鎮遠」艦也挺身而出，與「致遠」艦並力抗擊日艦，共同護衛旗艦。
借助「致遠」、「鎮遠」不惜生命換來的這段寶貴時間，在「定遠」艦上與火魔搏斗的官兵們獲得了成功，大火終于被撲滅，「定遠」艦萬幸躲過了一場劫難。
旗艦轉危為安，「致遠」艦卻為此付出了太大的代價。與同樣挺身而出的鐵甲艦「鎮遠」不同的是，「致遠」艦並不具備那麼強大的防護力。為了掩護旗艦，與第一游擊隊三艘戰艦炮火抗衡的過程，對于「致遠」艦而言無異于是生命慢慢消耗的過程，「致遠」的艦體已經有多處被擊穿，不過在定遠月兌困後，鄧世昌果斷下令退出戰斗，此時若再堅持戰斗整個軍艦無疑會有沉沒危險。
北洋艦隊也取得了一個極為重大的戰果，第一小隊的鐵甲艦「鎮遠」用305毫米克虜伯主炮重創了日本聯合艦隊旗艦「松島」！
為掩護「定遠」艦救火而沖出與「致遠」艦並肩作戰後不久，日本第一游擊隊漸漸運動向北洋艦隊的左翼，聯合艦隊的本隊出現在「定遠」、「鎮遠」艦眼前，主炮後置、外形特點鮮明的日本聯合艦隊旗艦「松島」再次成為中國軍艦攻擊的焦點。14時30分，「鎮遠」艦主炮台上連續射出2枚305毫米口徑炮彈，均命中了「松島」艦，考慮到當時雙方的距離為1700米左右，大口徑火炮能獲得這樣的命中率可謂相當驚人。
「鎮遠」艦一陣炮聲隆隆後，在之前的戰斗中已經被「平遠」艦擊壞主炮的「松島」，遭到了始料未及的沉重打擊。炮彈從「松島」艦左舷炮甲板第四號速射炮炮位的上方穿透後爆炸，突中巨彈的「松島」艦艦體發出顫動，然而這才只是災難的開始，日本官兵還沒從這次命中所帶來的驚慌中反應過來時，又一顆305毫米炮彈接踵而來。
緊接而來的這顆305炮彈命中的位置和上一顆炮彈接近，仍然是在四號炮位，巨彈直接擊中了「松島」左舷第四號120毫米速射炮的炮盾，受到重擊的引信立刻開始工作，彈頭內填充的無煙藥很快點燃炮，炮彈在第四號炮位上轟然炸開。
更為恐怖的事情很快就發生了。戰時為保證速射炮的彈藥供應，「松島」艦主甲板下的這層炮甲板上，堆積了大量的120毫米速射炮炮彈，然而此時，這些彈藥卻成了巨大的安全隱患，「松島」艦的火炮甲板仿佛是一個即將點燃的巨大火藥桶，天意使然，應該讓日本海軍自己嘗試一下下瀨火藥的滋味了。
被305炮彈打飛起來的120毫米速射炮摔落時，剛好砸在了彈藥堆里，性態敏感的下瀨火藥遭受重擊後立刻發生了反應。堆積在第四號120毫米速射炮位附近的大量下瀨火藥炮彈以及硫化棉發射藥被引爆了！「松島」艦上發出接連不斷的巨大爆炸聲，嗆人的黃色毒霧立刻在艦內彌漫開來。下瀨火藥爆炸產生的沖擊力，一面將「松島」左舷的船殼板撕開了更大的破口，一面發出怒吼穿透沖上了主甲板，在主甲板的左右兩側都留下了2個巨大的破洞。使艦體失去了平衡，艦體傾斜，海水灌入。」
北洋艦隊的官兵簡直都不相信自己的眼楮了，日本旗艦「松島」在不斷發生爆炸被接連命中，艦體也開始了傾斜，似乎就快要沉沒了。
不過上天好像對北洋開了個玩笑，經過30分鐘左右，「松島」艦內的大火竟然被撲滅，不過卻也無所大傷，火災被撲滅之際，「松島」艦事實上已經不再具備戰斗的能力。
此時還有一個讓人不齒的事情出現了，大東溝海戰開始時就一直龜縮在陣形後的「濟遠」艦，此時開始轉舵逃跑。
作為北洋艦隊陣形左翼壓陣的第四小隊領隊艦艦長，方伯謙並沒有絲毫戰斗的決心，開戰之初「濟遠」、「廣甲」就落後于全隊，始終徘徊在陣形之後。北洋艦隊與日本聯合艦隊接近時，由于左翼勢必是最先遇到日本艦隊的位置，為躲避戰斗，方伯謙即指揮「濟遠」從北洋艦隊陣形之後向右翼方向閃避，連帶僚艦「廣甲」與之一起行動，使得北洋艦隊一開始就丟失了一個小隊的戰力。日本第一游擊隊開始攻擊右翼的「超勇」、「揚威」時，已經躲避至右翼附近的「濟遠」、「廣甲」又立刻向較為安全的左翼躲避。至北洋艦隊左翼諸艦開始圍攻「比睿」、「赤城」等日本軍艦時，甚至連僚艦「廣甲」都主動參加戰斗，而「濟遠」依舊觀望在後。更為無恥的是，「濟遠」艦還掛出了「我艦已經重傷」的信號旗，以為逃跑尋找托辭。
更為不可思議的是，在逃跑的過程中，「濟遠」艦竟然撞上了友艦「揚威」。這艘一開始便被的殘的老船，沒有被日軍炮火擊沉的戰艦，未曾料到會被友艦毀滅。奔逃中的「濟遠」艦高速撞上了重傷的「揚威」，隨即又毫不留情地倒車、離去，最終這艘戰艦在掙扎著進入淺水區後不幸下沉擱淺。望著絕塵而去的「濟遠」，「揚威」艦管帶林履中悲憤莫名，蹈海而逝。作為「濟遠」艦撞擊「揚威」的直接證據，當「濟遠」逃回旅順時，存在一個重大的傷情，「頭裂漏水」。
重創日本旗艦「松島」的勝利未能抵消因左翼軍艦「濟遠」、「廣甲」逃離戰場而給北洋艦隊帶來的巨大陰影，孤雁失群的「經遠」艦以及右翼第3小隊「靖遠」、「來遠」艦之後也相繼離開戰場，向大鹿島方向的淺水區駛避。海戰場上北洋艦隊實際只剩下了由「定遠」與「鎮遠」二艘鐵甲艦組成的第一小隊。戰場態勢幾乎就在瞬間發生了急劇惡化，北洋艦隊預先設定的作戰隊形基本崩潰，戰局至此已沒有可以挽回的余地。
日本第一游擊隊立刻發現了北洋艦隊中出現的潰逃情況，司令官坪井航三指揮一游三艦轉舵向西北方向進行追擊。坪井航三敏銳地判斷，北洋艦隊陣形的崩潰對聯合艦隊而言就是一舉獲得勝利的最好時機，可以采用優勢兵力趁中國軍艦潰散時加以分割殲滅。
北洋艦隊這時僅剩下了「定遠」、「鎮遠」二艘同級的鋼鐵姊妹艦還堅守在戰場上，她們面對的是「松島」、「千代田」、「嚴島」、「橋立」、「扶桑」等5艘日本本隊軍艦。身遭重創的「松島」顯然不願意放棄眼前過于誘人的目標，開始竭力使用未受太大損失的右舷火炮向「定遠」、「鎮遠」射擊，擊沉「定遠」、「鎮遠」對于日本而言，與其說是出于單純的軍事目的，不如認為這是一個民族對另一個民族衛國支柱的嫉恨，兩艘鐵甲艦已經成了大和民族心理上的陰影。「打沉‘定遠’、‘鎮遠’」的口號，已經在日本軍艦上喊得震天響了。
更為嚴重的是，二艦賴以克敵制勝的主要武器在長時間的戰斗中也出現了損失，一直處在露天狀態作戰的305毫米主炮幾乎都受了損傷，「定遠」剩余3門可以繼續發射，「鎮遠」則僅剩2門能夠使用，「定遠」、「鎮遠」與日本本隊5艦間的對抗，構成了一幅極不對稱的畫面。白色的日本軍艦在不斷地開火，唯恐射速還不夠高，顯得殺氣騰騰；兩艘龍旗鐵甲艦則不斷被擊中起火，「藥彈狂飛，不離左右」，卻仍然勢如泰山，巋然屹立，緩慢但有節奏地發炮進行還擊，顯得異常的堅強、執著。
在炮彈密集瘋狂的打擊下，「定遠」、「鎮遠」先後數度燃起大火，兩艘鐵甲巨艦互為依靠，一面救火，一面繼續射擊，沒有流露絲毫怯色。
什麼是柱石，兩艦完美詮釋了柱石的含義，她們最終守住了北洋艦隊在這次海戰中的底線。日本聯合艦隊的官兵徹底被眼前的景象震懾了，兩艘中國鐵甲艦幾乎都已遍體鱗傷，但沒有一處彈痕的深度能夠超過4英寸，除了不斷使兩艘中國軍艦燃起大火外，對「定遠」、「鎮遠」厚厚的裝甲，日本本隊五艦均束手無策，這畢竟是兩艘一等鐵甲艦，雖然她的炮火配置已顯得落伍，但是防護力卻是在場的中日軍艦中最為強大的。原本不可一世，認為勝利唾手可得的日本官兵，在經歷了一個多小時的反復炮擊後，發現並沒有能給「定遠」、「鎮遠」造成多大傷害，兩艘鐵甲艦在彈雨中沒有露出一點屈色，依然一副奉陪到底的無畏姿態，此時日本官兵大都有些無奈和絕望了，他們覺得面對的是2艘永遠不可能沉沒的神艦。
「‘定遠’艦怎麼還打不沉啊！」
「松島」艦面目全非的火炮甲板內，月復部重傷的日本三等水兵三浦虎次郎發出了如此的浩嘆。透過他身旁舷壁上的巨大破口向外望去，巍巍鐵甲艦「定遠」、「鎮遠」顯得是那麼的堅不可摧，恍如是海上的長城！著名的「永不沉沒的‘定遠’」稱號即由此得來。
但就在此時，鎮遠艦上已經停了很久的火炮又怒吼了起來，一枚炮彈急速地向著松島號飛來。
經過一個多小時的炮擊，艦船雖未沉沒，但火炮卻已經壞了，但沉寂了一會之後，鎮遠號官兵發現又能發射了。于是……松島號沉沒了。
距離炮聲隆隆的黃海大東溝海戰主戰場不遠，另外一場生死搏殺也在同步上演。日本第一游擊隊三艘新銳巡洋艦在追擊退離戰場的中國軍艦。
當時向大鹿島附近淺水區方向退離的中國軍艦一共是「濟遠」、「廣甲」、「經遠」、「靖遠」、「來遠」等五艘。三艘軍艦追五艘軍艦這是很滑稽的，但五艘軍艦並不是一起的，所以個個擊破不是不可能，而後世正是如此。
不過與後世不兩只的是，現在日本第一游擊三艦均已被打殘，速度優勢不再。
到了下午18時，三艦終于逼近了「經遠」號，不過也就在此時，第一游擊隊的信號兵突然發現，遠處海戰主場上的聯合艦隊旗艦「松島」升起了一組旗語。伊東佑亨考慮到夜幕即將降臨，擔心如果繼續進入夜間交戰，日本軍艦在炮火使用和編隊上將會出現混亂，同時深恐北洋艦隊的魚雷艇借助夜色發起偷襲，為確保住既得的戰果，于是決定結束戰斗。
大東溝海戰結束！
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