rì本海軍在大同江外海面，集中了12艘軍艦，包括其全都jīng華，即吉野、高千穗、秋津洲、浪速、松島、千代田、嚴島、橋立等八艘五千馬力以上的主力艦和巡洋艦。
9月15rì上午，北洋艦隊的主力，計軍艦10艘，附屬艦8艘，在丁汝昌率領下到達大連灣。
16rì淩晨1時，銘軍的十個營共四千人分乘五艘運兵船，向鴨綠江口的大東溝進發。
16rì中午，艦隊抵達大東溝，到次rì早晨，軍隊全都登陸。
17rì上午8時，旗艦定遠上挂出龍旗開始返航。
11時許，北洋艦隊突然發現西南方向海面上有幾簇黑煙，丁汝昌登上甲闆了望，判定爲rì本艦隊。于是立即命令各艦升火、實彈，準備戰鬥。
11時半，吉野先發現北洋艦隊，發出信号“東北方向發現三艘以上敵艦”。
12時20分，rì艦逐漸接近北洋艦隊。
中午12時50分，北洋艦隊旗艦定遠首先開炮。
十秒鍾後，鎮遠艦也發出炮彈，緊接着，北洋艦隊各艦一齊發炮轟擊。三分鍾後，rì本旗艦松島也開始發炮還擊。刹時間，雙方各艦百炮一齊怒放，硝煙彌漫，海水沸騰。
開戰之初，雙方的力量對比如下：
火炮魚雷發shè管總排水量總兵力平均航速節
北洋水師19527212614.5
rì本艦隊26836391610.2
其中，rì本第一遊擊隊平均航速達19.4節。另據英國海軍年鑒統計，當時速shè炮的發shè速度是原後裝炮的六倍，由此計算，rì本艦隊的火力實際上相當于北洋艦隊的三倍。依航行次序，rì艦配備情況如下：
第一遊擊隊
艦名艦長排水量(噸)速度(節)主炮(門)
“吉野”河源要一4,21622.5150mm速shè炮4
“高千穗”野村貞370918260mm2
“秋津洲”上村彥之丞315026150mm速shè炮4
“浪速”東鄉平八郎370924
本隊第一群陣：
艦名艦長排水量(噸)速度(節)主炮(門)
“松島”旗艦尾本知道427816320mm1
“千代田”内田正敏243919120mm速shè炮1
“嚴島”橫尾道昱427816320mm1
本隊第二群陣：
艦名艦長排水量(噸)速度(節)主炮(門)
“橋立”rì高壯之丞427816320mm1
“比睿”櫻井規矩之左右228413.2170mm2
“扶桑”新井有貢377713280mm2
本隊左側：
艦名艦長排水量(噸)速度(節)主炮(門)
“西京丸”鹿野勇之進410015120mm
“赤城”坂元八太郎62210.25120mm
北洋艦隊的１２艘軍艦配備情況如下：
艦名艦長排水量(噸)速度(節)主炮(門)
“定遠”旗艦劉步蟾733514.5305mm4
“鎮遠”林泰曾733514.5305mm4
“經遠”林永升290015.5210mm2
“來遠”邱寶仁290015.5210mm2
“緻遠”鄧世昌230018210mm2
“靖遠”葉祖珪230018210mm2
“濟遠”方伯謙230015210mm2
“平遠”李和210014.5260mm1
“超勇”黃建勳135015250mm2
“揚威”林履中135015250mm2
“廣甲”吳敬榮129615150mm2
“廣丙”程璧光100017120mm3
另外六艘艦艇爲炮艦鎮南、鎮中和魚雷艇福龍、左一、右二、右三。
戰鬥開始不久，北洋艦隊旗艦“定遠”艦由于下水12年，久已失修，艦橋被突然開火的大炮震塌，丁汝昌摔傷，信旗被毀。丁汝昌拒絕随從把自己投入内艙，堅持坐在甲闆上督戰。可是他隻能鼓一艦士氣，戰鬥剛開始，北洋艦隊就失去了指揮。rì第一遊擊隊4艦利用航速優勢繞攻北洋艦隊右翼“超勇”、“揚威”，二艦相繼被擊中起火，退出戰鬥。rì艦“吉野”也被北洋艦隊擊中起火，但很快被撲滅。13時30分左右，“超勇”沉沒。
當rì本第一遊擊隊繞攻北洋艦隊右翼時，本隊也與北洋艦隊主力交相攻擊。rì艦“比睿”、“赤城”、“扶桑”、“西京丸”“被北洋艦隊截擊。
“定遠”、“來遠”、“經遠”重創“比睿”、“赤城”。“赤城”艦長坂元八郎太當場斃命。“西京丸”也受重傷。
14時15分左右，rì本艦隊繞至北洋艦隊背後，與第一遊擊隊形成夾擊之勢。北洋艦隊腹背受敵，隊形更加混亂。在混戰中，北洋艦隊一直沖殺在前的“緻遠”艦受到rì“吉野”、“高千穗”等的集中轟擊，多處受傷，船身傾斜。
伊東祐亨令第一遊擊隊救援“赤城”、“比睿”。“吉野”沖在最前面，正遇上全身着火的“緻遠”艦。管帶鄧世昌下令撞沉“吉野”。“緻遠”艦向“吉野”号右舷高速撞去。rì艦官兵見狀大驚失sè，拼命逃竄，并向“緻遠”艦連連發shè魚雷，“緻遠”艦躲過一條魚雷後，不幸爲另一條所中，全艦官兵共252名壯烈戰死。
“經遠”繼續迎戰“吉野”，也中彈起火，管帶林永升、大副陳策陣亡，随後艦也被敵魚雷擊沉，全艦270人除16人獲救外，全部殉難。“緻遠”沉沒後，“濟遠”管帶方伯謙、“廣甲”管帶吳敬榮，臨陣脫逃(方伯謙等是否臨陣脫逃，近年有不同看法)。“靖遠”、“來遠”因中彈過多，退出戰鬥，避至大鹿島附近緊急修補損壞的機器。
“定遠”、“鎮遠”兩艦頑強抵抗rì艦本隊的圍攻，雖中彈甚多，幾次起火，全體官兵仍然堅持奮戰。
下午3時30分，“鎮遠”艦的30.5公分大炮連續擊中rì本旗艦“松島”号二次。“松島”後甲闆四号炮塔中彈後，火焰引發裝藥，發生了大爆炸。“松島”船軸傾斜5度，冒起白煙，火災大作。rì軍炮塔指揮官海軍大尉志摩清直以下100餘人皆被擊斃。死屍堆積，血流滿船，“松島”敗走。
不久，“靖遠”、“來遠”搶修完畢，重新投入戰鬥。rì艦“赤城”、“比睿”、“西京丸”被“定遠”、“鎮遠”轟得不知去向，旗艦“松島”已經癱瘓，“吉野”、“扶桑”也受了重傷，不能再戰，又見北洋艦隊重新集隊，伊東祐亨便于17時40分左右下令撤出戰場。
北洋艦隊稍事追擊，也收隊返回旅順。曆時5個多小時的黃海海戰到此結束。
黃海海戰曆時5個多小時，其規模之大，時間之長，爲近代世界海戰史上所罕見。
海戰的結果是北洋艦隊損失“緻遠”、“經遠”、“超勇”、“揚威”、“廣甲”(“廣甲”逃離戰場後觸礁，幾天後被自毀)5艘軍艦，死傷官兵千餘人；rì本艦隊“松島”、“吉野”、“比睿”、“赤城”、“西京丸”5艦受重傷(“西京丸”、“赤城”兩艦被拖行後不久後沉沒)，死傷官兵600餘人。
黃海海戰以後，由于北洋艦隊嗣後不敢再戰，rì本基本上掌握了黃海制海權。