接战时的队形更像是“燕翦阵”。日本联合舰队则分为两个战术分队，以高速的吉野号为首的第一游击队作为尖刀，其余八舰作为本队跟进。
战斗开始时，双方距离约12公里，当距离缩短至5330米时，北洋舰队旗舰定远号率先开炮，随即展开激烈的炮战。不幸的是，定远号上的信号装置很快被日舰炮火摧毁，导致北洋舰队失去了统一指挥。日本第一游击队则迅速向北洋舰队右翼薄弱的超勇号和扬威号发动攻击，并将其击沉。
随着战斗的持续，日本联合舰队通过灵活机动，对北洋舰队实施了包抄，使其陷入腹背受敌的困境。17时40分，日本联合舰队主动撤离战场，这场持续了五个小时的激烈海战告一段落。
黄海海战中，中日双方各有12艘军舰参战，但中方军舰整体较为老旧，吨位和火炮数量均不及日方，尤其是缺乏速射炮。作为北洋舰队的指挥官，丁汝昌在战前没有明确指定代理人和代理旗舰，在战斗中失去了指挥能力，导致北洋舰队未能有效应对敌军的战术。
尽管如此，日本联合舰队在指挥上也存在诸多问题，但最终的结果是，日本联合舰队虽受到一定程度的打击，却没有失去一艘军舰；而北洋舰队则损失了五艘军舰。这场海战的失败，对北洋舰队造成了沉重打击，丁汝昌也因此受到了责难。
七、兵败殉国
光绪二十年（1894年）九月二十日，北洋舰队在旅顺完成修理后返回威海，但不幸的是，“镇远”舰在入港时触礁受损，这对已经受损的北洋舰队来说无疑是雪上加霜。随着日军进攻旅顺，丁汝昌的处境愈发艰难，先是被革去了尚书衔，摘掉了顶戴，接着在旅顺失陷后，又被革职，但仍暂时留任。
在威海的防御布置中，丁汝昌对陆军的战斗力表示担忧，并建议做好炸毁陆路海岸炮台的准备，以免落入敌手。然而，这一建议却被误解为“通敌误国”，并被戴宗骞举报。清廷随即下令将丁汝昌送交刑部治罪。幸得刘步蟾等将领联名上书请愿，加上李鸿章的极力辩护，清廷最终决定待丁汝昌处理完手头事务后再将其送交刑部。
尽管身处逆境，丁汝昌仍旧力图振作，召集诸将讨论如何防守威海。十二月二十五日，日军在山东荣成登陆，并于三十日即除夕夜