12时05分，联合舰队第一游击队在先，以吉野号为首，本队在后，呈单纵阵，接近北洋水师。
12时20分，北洋水师在行进中由双纵阵改为横阵，旗舰定远位于中央，其余各舰在其左、右依次展开，舰队呈楔形梯队。但北洋舰队初衷是排成紧凑的夹缝雁行阵，而实际则排成松散横阵，类似“人”字形。原因有三种猜测，一种是北洋海军各舰传令兵传递命令发生错误；一种是部分北洋海军将领怯战而缩于阵后；而最接近事实的猜测是，计划位于阵型两翼的战舰（济远，广甲，超勇，扬威）基本为航速缓慢的老舰，却需要航行最远距离达到两侧。在没来来得及完成阵型部署的情况下，战斗已经打响。
鸭绿江口外海，大鹿岛海域，集中了两国几乎全部主力舰艇。
12时50分，双方舰队相距5300米，北洋水师旗舰定远舰首先开炮。联合舰队第一游击队在距北洋水师5000米处即向左转弯，航向北洋水师右翼。联合舰队航向北洋水师右翼，冒险将舰队于北洋水师阵前。
12时53分，联合舰队旗舰松岛开始发炮还击。在日军的第一轮排炮下，定远主桅中弹，信号索具被炮火所毁（一说因战船老朽发炮时震塌飞桥），在飞桥上督战的丁汝昌身负重伤。从此时起，北洋水师各舰除能随定远进退之外，已经失去了指挥。
日本第一游击队四舰，一面以猛烈炮火射击，一面加快速度，横越北洋舰队阵前，左转舵，改道飞驰，绕攻北洋舰队右翼之超勇、扬威二弱舰。超勇、扬威均为1881年(光绪七年)下水的陈旧兵舰，舰龄已达十三年。且“舰中隔壁，俱为木造，施以油漆，粉饰外观”。实际上，老朽陈旧，速度迟缓，炮火不济，防御力极弱。二舰虽竭力抵抗，但在敌人四艘快速巡洋舰的一舷齐射的优势火力攻击下，终于中弹起火。
但是，当日本第一游击队绕过北洋舰队阵前，环攻右翼超勇、扬威时，其本队六舰恰好驶至北洋舰队犄角雁行阵"人"字形的前方。北洋舰队各舰舰首恰恰指向敌舰船月复。于是，北洋舰队各舰以舰首主炮猛烈轰击敌本队六舰。比睿、扶桑、西京丸号、赤城等后续诸舰，因速度迟缓，落于后方，被北洋舰队“人”字形阵尖将日本本队六舰组成之单纵阵拦腰截断，分割为二，这时，定远、镇远及右翼各舰发右舷炮火猛轰敌舰松岛、千代田、严岛、桥立；左翼之致远、靖远等舰则发左舷炮火截击比睿、赤城等后续各舰。在北洋舰队的猛烈炮火轰击下，比睿、赤城等“不能航行，终成孤军”，遭到北洋舰队的痛击。比睿中炮燃起大火，赤城号连连中弹，舰长板元八郎太被击毙，西京丸号也遭到重创。
日舰仓皇逃窜，北洋水师奋起直追。这时(2时5分)，第一游击队已通过北洋舰队右翼，正拟转入北洋舰队背后，伊东祐亨急忙发出信号，命令第一游击队回救比睿、赤城。第一游击队奉召立即向左转舵回驶，以高速向比睿、赤城与北洋舰队之间运动，用左舷炮火射击，且击且进。赤城、比睿得救，乘机逃离战场。
此时，原停在大东沟口外的平远号防御铁甲舰、广丙及鱼雷艇，应召前来助战。驶到北洋舰队右翼后方，适与日本本队相遇，各舰立即向日舰发起攻击。2时34分，“平远发射二十六公分炮弹一发，命中松岛左舷军官室，贯穿鱼雷用具室。打死左舷鱼雷发射员四名”。3时10分又中一炮，炮弹“打穿左舷中央鱼雷室上部，在大樯下部爆炸。打死左舷鱼雷发射员二名”。3时15分，严岛又被平远击中两炮。但同时平远亦被日舰击中起火，被迫退出战场。这时，日舰本队已驶过北洋舰队右翼，继续向右转舵，绕至北洋舰队背后，恰好与第一游击队形成对北洋舰队夹击之势。于是，日本舰队处境开始转向上风，北洋舰队因被包围，处于内线作战，月复背受敌，转趋不利地位。在这一刻开始胜利的天平开始向日本方向倾斜了。
北洋舰队虽月复背受敌，形势不利，但广大官兵毫不畏缩气馁，反而“愈战愈奋，始终不懈”。提督丁汝昌身受重伤，不下火犀置个人生命安危于不顾，裹伤后，坐于甲板上鼓舞士气，“激励将士，同心效命”。右翼总兵定远管带刘步蟾于丁汝昌负伤后，“代为督战，指挥进退”，尤为出力。广大士兵顽强奋战，不怕牺牲的爱国主义精神更为感人。就连亲身参加海战的定远副管驾英人泰莱也承认：“众士兵均狞厉振奋，毫无恐惧之态。当予巡视时，一兵负重伤，同侣嘱其入内修养；及予重至此炮座，见彼虽已残废，仍裹创工作如常"。超勇、扬威虽被日本第一游击队击中起火，但并止战斗。官兵们一面救火，一面抗击。”特别是超勇舰体虽已左右倾斜，然犹以前部炮火发射不停。当比睿冒险闯入北洋舰队阵中，企图抄近路与本队会合时，适与超勇相遇。超勇在烈焰升腾中也不肯放过敌舰。一面救火，一面向比睿发炮轰击，表现了同敌人血战到底的英雄气概。之后，敌舰本队绕至北洋舰队阵后，聚攻超勇。超勇孤立无援，2时23分，终于在敌舰炮火丛集下，于东经123度32分1秒，北纬39度35分海面沉没。管带黄建勋落水，“左一”鱼雷艇驶近相救，抛长绳援之，黄不就，从容死难，舰上士兵也大部壮烈牺牲。
致远号官兵奋勇杀敌，视死如归的英雄气概，尤为可钦可佩，可歌可泣。在管带邓世昌指挥下，致远号纵横海上，与敌奋战，中弹累累，受伤欹侧。在激烈的战斗中，炮弹垂尽。这时，恰与日舰吉野相遇。邓世昌见吉野恃其船捷炮利，横行无忌，气愤地对大副陈金揆说：“倭舰专恃吉野，苟沉是船，则我军可以集事。”决意与之冲撞，同归于尽。准备以已之牺牲，保全军之胜利。陈金揆深为感奋，遂鼓快车向吉野猛力冲突。日本官兵见状大惊失色，集中炮火向“致远”射击，“致远”舰右侧鱼雷发射管被击中，引起大爆炸，3时30分，以右舷倾斜，在东经123度34分，北纬39度32分的黄海海面上沉没。全舰官兵除七名遇救外，全部壮烈殉国。
邓世昌坠海后，随从刘忠跳入海中以救生圈援救，使之浮出水面。邓世昌以“阖船俱没，义不独生”，仍复奋掷自沉。邓世昌平时蓄一爱犬，游至身爆以口衔世昌臂，使之不沉。世昌挥之不去，并以口衔其发辫。邓世昌抱决与全舰将士同生死、共存亡的决心捺犬首于水，自己也沉没于汹涌的波涛之中，牺牲时年仅四十六岁。
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