增援剛開始還算順利。由馬寶貴率領的6000人、馬玉昆率領的2000人先後由旅順登船，在大東溝登陸後直奔平壤。左寶貴和聶桂林的6000人、豐升阿的1500人也跨越鴨綠江，從陸路入朝。四路大軍陸續在8月上旬進駐平壤。
李鴻章當然不會忘記駐守在牙山的親信葉志超。牙山靠南，走陸路太遠，交通也不便利，只能通過海上增援。到了真正要使用的時候，李鴻章才忽然發現，大清竟然缺少運兵船。無奈之下，只好讓江自康帶領2500人租用英國輪船「高升」號、「愛仁」號、「飛鯨」號前往牙山。擔任護航的就是北洋艦隊「濟遠」號、「廣乙」號和「威遠」號3艘戰艦。
本來丁汝昌的意見是由北洋艦隊集體出動護航，但一心避戰的李鴻章害怕出動這麼大的兵力會刺激日本人，所以只允許派這幾艘艦去。牙山的複雜地形並不適合部隊大規模登陸，因此增援部隊先後分3批出發。
凡是有中國軍隊與敵交兵的地方，就不會少了這樣兩種人：一種叫「漢奸」；另一種叫「跑跑」。李鴻章的外甥張士珩當時是天津軍械局的總辦，其家中的書吏劉樹芬早已被日本間諜石川伍一重金收買。石川從劉樹芬處獲得了大清艦隊增援的詳細情報並立即電告日軍。隨後，石川和劉樹芬被抓獲並斬首。
得訊後的日本聯合艦隊馬上派出坪井航三海軍少將率領第一游擊艦隊「吉野」號、「浪速」號、「秋津洲」號3艘快速戰艦出海攔截。7月25日清晨，日本艦隊來到了牙山灣之外。當時的豐島水域天氣晴朗，萬里無雲，海上能見度良好，正是交兵的好時機。間諜和漢奸的情報異常準確，日艦很快就發現遠方有兩艘軍艦冒著黑煙緩緩駛近，這就是北洋艦隊的「濟遠」號和「廣乙」號。
本來是3艘護航艦隻，護航編隊司令方伯謙發現「威遠」號速度太慢，就安排其提前返回。方伯謙在「愛仁」號、「飛鯨」號卸載完畢之後，準備回頭去迎接第三艘運兵船「高升」號。讓人意想不到的是，一出牙山灣就迎頭遇上了3艘日本軍艦。當時雙方的實力對比是——
清廷：「濟遠」號，2300噸，速度15節，最大艦炮為210毫米；「廣乙」號，1000噸，速度16節，最大艦炮為120毫米。
日本：「吉野」號，4216噸，速度23節，最大艦炮為152毫米；「浪速」號，3709噸，速度18節，最大艦炮為260毫米；「秋津洲」號，3150噸，速度19節，最大艦炮為250毫米。
上午7時45分，「吉野」率先向「濟遠」打出了甲午戰爭的第一炮，「濟遠」馬上開炮還擊。隨後，「浪速」和「秋津洲」號也圍了上來，三艦同時炮擊「濟遠」。陸奧宗光期盼已久的戰爭終於如願打響。
眼見「濟遠」陷入重圍，「廣乙」馬上衝上來助戰。「浪速」和「秋津洲」馬上回過頭來聯手收拾「廣乙」。片刻之間，孱弱的「廣乙」就在日本炮火的轟擊下傷痕纍纍，失去戰鬥力之後撤出戰場，衝到朝鮮西海岸十八家島附近擱淺。艦長林國祥見軍艦受傷太重，為了免於被日軍俘虜，遂下令縱火燒船。隨後，林國祥帶領水兵登岸前往牙山，準備加入葉志超的陸軍部隊。可惜葉志超早已棄城逃跑，無奈，林國祥只好率兵乘英國軍艦「亞細亞」號輾轉回國。
打跑了「廣乙」，「浪速」和「秋津洲」馬上回過頭來與「吉野」合圍「濟遠」，戰場驚險異常。日本三艦恰如「劉關張」，可惜「濟遠」並不是呂布，最多只能算華雄。瞬間，「濟遠」上死傷已達57人。眼見不敵的方伯謙立即下令軍艦全速向中國方向撤退，日本三艦窮追不捨。就在此時，遠方海面又出現了兩艘艦隻的身影，這就是大清的第三艘運兵船「高升」和運輸武器、餉銀的運輸艦「操江」。
游擊艦隊司令坪井航三少將馬上對三艦進行了分工：速度最快的「吉野」負責追擊「濟遠」，「浪速」攔截「高升」，「秋津洲」對付「操江」。
自身難保的「濟遠」已經無力保護自己護航的艦隻，方伯謙在向「高升」和「操江」打出「自行逃命」的信號後，率先獨自逃竄。眼看著速度更快的「吉野」越追越近，無可奈何的方伯謙先在「濟遠」上掛出白旗，隨後又掛出日本旗，同時繼續高速逃跑。方伯謙的一系列怪異動作搞得日本人一頭霧水。「吉野」艦長河原要一大佐看到「濟遠」沒有停下來而是狂奔，就繼續加速追趕，同時頻頻炮擊。12時38分，「吉野」距離「濟遠」僅僅剩下2500米。逃跑中的「濟遠」突然用尾炮連續反擊，四發炮彈有三發打中「吉野」。猝不及防，「吉野」的桅樓、前主炮被擊中。受傷的「吉野」不敢獨自繼續追擊，掉頭返航，「濟遠」繼續狂奔，逃過一劫。
後來對於「吉野」停止追擊的原因也是眾說紛紜。一說是受傷。二說是擔心駛離戰場太遠，靠近北洋水師駐地太近，怕中援軍的埋伏。三說是當時水越來越淺，「吉野」吃水太深，擔心擱淺。四說是擔心另外兩艘日艦對付兩艘中國船不寬裕，怕中國運兵船逃脫，所以回去支援了。不管什麼原因，反正「濟遠」是跑掉了。
逃回威海衛基地的方伯謙稱打了勝仗，「擊傷倭船，擊死倭提督並兵員數十人」。李鴻章和丁汝昌雖然有點懷疑，但覺得方伯謙在寡不敵眾的情況下還能成功把船開回來也不容易。況且方艦長是自己人，開戰之初能有勝績也會鼓舞士氣，所以仍積極為方伯謙請功。隨後清廷頒諭，以「管帶『濟遠』之方伯謙，於牙山接仗時鏖戰甚久，炮傷敵船，尚屬得力，著李鴻章傳旨嘉獎」。朝中甚至有人提議「改由方伯謙接管丁汝昌所帶之船」。
「浪速」和「秋津洲」的任務是對付「高升」和「操江」。「高升」是英國商船，「操江」是木質炮船，現在的功能是運輸艦，兩艦都幾乎沒有戰鬥力。如果說「濟遠」勉強還算得上是華雄的話，那麼這兩艘船最多只能算糜竺和簡雍，明擺著就是對方案板上的燒雞，僅剩點骨頭不好切而已。
「操江」在13時50分被「秋津洲」追上。請讀者留心一下這個「秋津洲」的艦長上村彥之丞海軍少佐，在後文的日俄戰爭中他還要出場領銜主演。艦齡超過20年的木質炮船「操江」上，當時有包括艦長王永發在內的水兵82人。在船上丹麥專家的勸說下，王永發掛出了降旗，隨後被「秋津洲」押解到日本佐世保軍港。
被俘官兵上岸後遭到了非人道的凌辱。日本人將這些被俘士兵排成兩排遊街示眾，並敲鑼打鼓號召市民前來圍觀。這些人之後被關入監牢。除了丹麥人被釋放之外，所有人都被關押到了戰爭結束。「操江」上20萬兩餉銀、20門大炮、3000條步槍及大量彈藥落入日軍之手。
最後看看故事最多的「高升」。負責對付「高升」的是日艦「浪速」。「浪速」的艦長就是後來被譽為軍神的東鄉平八郎。10年前，老酒的一個朋友在談判中和東鄉平八郎的曾孫有過面對面的唇槍舌劍的交鋒，還大佔上風，讓老酒敬佩不已，為此特意多敬了他三杯酒。「浪速」追擊「高升」，簡直就像劉翔追老酒一樣容易，「高升」很快被「浪速」控制。日本人派出小艇搭載臨檢官見善五郎大尉等人登上「高升」。「高升」英國艦長高惠悌強調，此船乃英國商船。日本人不予理睬，宣布「高升」已經被俘，必須馬上跟著「浪速」走。
日本人離開「高升」後，隨即打出了「隨我前進」的信號。船上的清軍士兵立即湧入艦長室，對著高惠悌拔刀怒吼：「敢跟日本人走，小心此刀。」「高升」上北洋艦隊聘請的軍事教習、德國退役軍官漢納根也告訴高惠悌：「中國人寧願死，也不會服從日本人的命令。」
看著「高升」遲遲不動，「浪速」馬上派人過來催促。高惠悌告訴日本人：「中國人不願意當俘虜，他們要求退回大沽口。我們是英國船，你們兩個國家還沒有宣戰。」
雙方僵持了三個小時。12時30分，東鄉平八郎下令：「歐洲人全部離艦。」但是船上的小艇已全部被清兵控制，歐洲人想走也走不了。
13時，東興平八郎悍然下令開炮。炮彈命中「高升」動力汽罐，蒸汽和煤煙滾滾噴出，接著船體多處著彈發生傾斜。船上絕望的清軍士兵只能徒勞地用步槍向「吉野」射擊。13時46分，「高升」在海面上消失。即使在沉入水中的一瞬間，桅杆上的一個清兵還射出了最後一發子彈。東鄉充分顯示了日本人的獸性，他下令繼續對漂浮在水面上的清軍士兵進行掃射，剎那間海面泛起一片片血紅。
「高升」上清兵1116人、工作人員74人（其中7個英國人）全部落入水中。事後，在附近觀戰的法國軍艦「利安門」救出42人，德國軍艦「伊力達斯」救起112人，英國軍艦「伯布斯」救出87人。有兩人被日軍俘虜，另有兩名士兵游泳漂泊到孤島上，40天後獲救。除了被救出的245人，其餘871名大清士兵全部殉國。
74名工作人員中，包括船長高惠悌在內的3名英國人被「浪速」