()靖遠艦管帶葉祖珪在接到致遠發來的旗語後開始還感到很疑惑，「浪速」號受傷逃遁，現在正是追上去擊沉敵艦，立下頭功的好時機，可是為何要去救援沒影的濟遠呢？
考慮了一會他總算想通了，首先，現在中日兩國還未宣戰，出發前丁軍門再三囑咐切莫先開戰端，此為其一。；
其二，也是最為關鍵的是，按照英國海軍提供的情報，日本聯合艦隊已經于一天前全軍開拔，離開佐世保，此刻其艦隊主力很有可能就錨泊在不遠的地方，比如安眠島一帶。「浪速」號見勢不好早早逃離，致靖二艦即使開足馬力，全速追擊，估計也要三個小時以後才能進入交戰距離，而三個小時的航程足夠聯合艦隊主力做出反應了。
此時，黃海北部不大的海面聚集了英、法、俄、德、美五國十幾條軍艦，其中僅英國艦隊就用7條軍艦在海面上來回巡游，觀察雙方的戰況。
也正因為這個原因，日本海軍的一舉一動都會被英國公使歐格納或者海軍司令斐利曼特以最快的速度通報給清軍方面，在戰爭的前期英國方面在外交上是偏向中國的。同樣，清軍的各種動向也被親日的美國駐北京公使通報給了日本方面。
兩小時前，濟遠在逃避吉野二艦追擊的過程中，航向逐漸轉向西北偏北，所以正好錯過了在威海－牙山灣主航道上行駛，迎面趕來的致遠靖遠二艦。
下午一點，鄧世昌目送高升號進入牙山灣口後下令全速向西北搜索。
下午六點，一道煙柱進入靖遠艦瞭望手的視野，不過二十分鐘後，發現這是德國駐遠東的炮艦「伊力達斯」號，隨後法**艦「利安門」號和英**艦「伯布斯」號也相繼進入鄧世昌的視野中。
三條外**艦發現清軍艦隊後，迅速向北側回避，十分鐘後，兩道煙柱出現了並以極快的速度相對行駛開來。
鄧世昌判斷，這一定是日艦「吉野」號和「高砂」號在擊沉濟遠後返航的途中。
鄧世昌的估計的確不錯，吉野和高砂二艦在距離濟遠二十多千米的地方開始追擊，而兩艦的速度也並不比後者快多少，所以整整花了一個下午才終于追上了濟遠艦。
在2000多米的距離上，濟遠繼續以精準的火力打擊日艦，不過王國臣發現，無論開花彈還是穿甲彈都無法對沖在前面的吉野號造成什麼損失。開花彈命中舷側後雖然也會爆炸，但並不能像攻擊浪速號那樣炸開一個大洞，據他觀察也就僅僅炸掉一些表面的油漆而已；至于穿甲彈也根本難以穿甲，甚至留下的彈坑也小到難以令人發現。
日軍在火炮的命中率方面比清軍有著較大差距，不過仗著火炮多，射速快迅速佔據了上風，濟遠後艙和尾炮先後被命中，人員損傷慘重，王國臣右臂被消掉一半，抵抗隨即停止。
濟遠艦雖然是穹甲船型，但是設計上有很大缺陷，其穹甲頂部位于水線以下，所以舷側進水後，浮力下降很快，艦體迅速下沉。
大約六點鐘時候，濟遠艦已經徹底沉沒了，部分水兵被日艦救起，河源要一帶著包括艦長方伯謙在內的幾十名俘虜興高采烈的下令返航。
盛夏時節，天長得很，七點多鐘時候，落日的余輝映紅天邊的晚霞，空蕩蕩的海面上還保留著相對不錯的能見度。
清日艦隊相遇後，雙方均轉舵向南，日艦為了逃跑，而清軍則是想全力阻截。
河源要一部下的水兵們從清晨六點一直緊張的工作到此刻，均已十分疲倦，尤其是管輪和司爐兵們早已經累得透支，有不下五人由于連續高溫而休克過去。
雖然彈藥充裕，軍艦也未受傷，不過河源看了看天色還是決定全力擺月兌清軍，迅速返航。此地距離威海衛過近，他擔心清軍主力會突然趕到。
不過吉野高砂二艦的航速和致遠靖遠相當，因此經過幾次轉向後，致遠依然穩穩的壓了吉野一頭，兩支艦隊同時向東行駛，距離則越來越近。
此時已經是晚間七點半，炮手們費力的瞄準然後射擊，總共半小時的戰斗中，吉野命中致遠八彈，而致遠命中吉野六彈，其中兩枚是210毫米口徑的實心穿甲彈。其中一發直接穿後艙而過，掉落到海中，另外一發則砸破了吉野100毫米厚的主裝甲帶，在穹甲甲板上打出一個彈坑，不過也僅此而已。由于存心想著重創吉野，所以鄧世昌下令所有火炮發射穿甲彈，四發150毫米炮彈雖然命中，但是直接被吉野的外側裝甲彈飛。
河源要一的想法則恰好相反，他知道交戰時間不會太長，很難擊沉敵艦，所以各炮全部發射高爆彈，以期對敵艦人員造成較大殺傷。
七發炮彈中有三發是彈丸重達45千克的150毫米炮彈，其中兩發命中後甲板，一發命中舷側副炮炮位，加上幾發105毫米炮彈造成的傷害，使清軍半小時內死傷40余人。
靖遠和高砂號互射的狀況遠不如他們旗艦之間的戰斗激烈，高砂號命中靖遠四發，而靖遠只命中高砂一發150毫米開花彈，未造成任何損失。
天色越來越晚，就在雙方幾乎都要看不見對方的時候，高砂號前主炮發射的一枚150毫米高爆彈鬼使神差的命中了靖遠的右舷水線，頓時開了一個直徑近一米的大口子，海水灌入煤倉。
葉祖珪接到報告後，迅速轉舵避戰。
日本艦隊借著南方海岸線的掩護，已經快要消失在茫茫的黑夜中，由于難以瞄準，致遠號已經有五分鐘未發一炮了，鄧世昌站在船頭，面色憂郁。
「轉舵回港吧。」隨著他一聲令下，軍艦調頭轉向180度，向威海衛港口駛去。吉野號的防御力讓他深受震撼，早知道吉野采用了德國的最新式裝甲，但沒料到竟然強悍至斯。
深夜，北洋艦隊大本營內，丁汝昌一字一句的听取著鄧世昌和葉祖珪的匯報。
听了他二人的匯報，丁軍門先喜後驚，喜的是「高升」號被安全護送到牙山，而且「浪速」號明顯受到重創；驚的是己方濟遠艦被擊沉，艦上官兵生死未卜，而「操江」號被掠走也可謂損失不小。此外，短短半個多小時，致遠艦便被殺傷如此多水兵，以及靖遠水線破損也是讓他感到十分擔憂的，這會極大影響後續的作戰。
吉野和高砂二艦直到第二天清晨才返回聯合艦隊在群山灣的錨地，伊東祐亨司令官在听取了河源的匯報後，大喜過望。
擊沉濟遠，擊傷致遠和靖遠，而己方的兩艦則幾乎毫發無損，這怎能不另伊東興奮。
「河源大佐，祝賀你，我軍旗開得勝你的功勞大大的。我這就上書天皇，為你請賞。」
「承蒙司令長官夸獎，其實這全是將士用命和我軍艦艇的船堅炮利之功，我個人實在沒有什麼功勞。」河源謙虛的說道。
「下午浪速受傷回來後我便預感到同為穹甲艦的濟遠一定不是我們兩條新式裝巡的對手。高爆彈對于穹甲巡洋艦的傷害是十分直接的，即使有穹甲的保護，軍艦難以沉沒，但是失速後若是局面不利，還是很容易戰沉的。看來接下來的大戰，還是要你們兩條新艦大顯身手了！」伊東高興的說道。
「據濟遠的清軍俘虜說，他們在前不久才每船配發了一批高爆彈，估計也是清楚了穹甲艦的軟肋後迅速做出的反應，這樣看來未來的大決戰一定是一場苦戰。另外，清軍的炮手射術極佳，我們應當多加注意。」
「無論如何，我軍首戰大勝是不爭的事實。接下來，若北洋艦隊不敢出戰，那麼我們的陸軍就可以從容的包圍牙山，將在韓的清軍主力聚殲于此。天佑吾皇！」伊東祐亨笑著朗聲對眾將說道。
「天佑吾皇！天佑吾皇！」群山灣內士氣高漲的官兵不斷發出勝利的吶喊聲。