在牙山、豐島，大清陸海軍接連失利，朝廷震怒。1894年8月10日，日本聯合艦隊迫近威海衛，已經欺負到家門口來了，光緒皇帝嚴厲斥責北洋大臣李鴻章和北洋水師提督丁汝昌作戰不力。無奈之下的李鴻章不得不命令北洋艦隊赴黃海巡航，以平息皇帝之怒，緩解輿論壓力。9月12日，北洋水師主力從威海衛軍港出發，赴鴨綠江口的大東溝護送陸軍登陸支援平壤作戰。
與北洋水師在戰略上「保船制敵為要」不同，日本海軍在戰爭前就制訂了以艦隊決戰奪取黃、渤海制海權為目標的作戰計畫。當聯合艦隊護送援軍登陸仁川的行動完成後，9月13日，聯合艦隊本隊和第一游擊艦隊開赴鴨綠江口附近海域，搜尋北洋水師主力決戰。
9月15日，北洋水師主力在丁汝昌率領下，護送5艘運兵船到達大連灣。運兵船上有銘軍4000人、馬400匹、炮80門。晚上，船隊在大東溝外20公里處下錨宿營。
9月16日，北洋水師抵達鴨綠江口之大東溝。部分艦艇擔任警戒，其餘10艘主力艦在20公里之外的大鹿島東南下錨。9月17日8時，運兵船卸載完畢，完成護航任務的北洋艦隊準備返航。
自豐島海戰以來，北洋艦隊全體官兵士氣高昂。當時任「鎮遠」副管駕的美國退休海軍少校馬吉芬在日記中寫道，艦隊官兵渴望與日本艦隊決一死戰，「以雪『高升』和『廣乙』之恥，士氣旺盛，莫可言狀」。
9月17日上午10時23分，聯合艦隊第一游擊艦隊率先發現了因使用劣質燃煤而冒出滾滾濃煙的北洋水師，迅疾發出「東北方向發現三艘以上敵艦」的信號。上午11時30分，北洋水師「鎮遠」的桅樓上的瞭望哨也發現了逐漸逼近的日本艦隊。
12時05分，聯合艦隊以「吉野」為首，第一游擊艦隊在先，本隊在後，呈單縱陣接近北洋水師。鴨綠江口外海大鹿島海域集中了遠東兩支最大艦隊的幾乎全部主力艦艇，空氣驟然緊張，大戰一觸即發。
12時20分，北洋水師在行進中由雙縱陣改為橫陣。旗艦「定遠」位於中央，其餘各艦在其左右依次展開，艦隊呈楔形梯隊，類似倒「V」字形。主要原因是位於陣型左右翼的戰艦「濟遠」「廣甲」「超勇」「揚威」都是航速緩慢的老艦，跟不上大隊的節奏。在陣型尚未完全展開的情況下，戰鬥已經打響。
12時50分，北洋水師旗艦「定遠」首先開炮，聯合艦隊第一游擊艦隊在距北洋水師5000米處向左轉彎，航向北洋水師右翼，冒險將艦隊暴露於北洋水師的炮火打擊之下。
12時53分，聯合艦隊旗艦「松島」開始發炮還擊。「定遠」主桅中彈，信號索具被炮火所毀，在飛橋上督戰的丁汝昌身負重傷。可以說，從大東溝開始，一直到1942年6月4日的中途島，在長達半個世紀的時間裡，幸運之神一直眷顧著日本。隨後，日俄戰爭中的黃海海戰、對馬海戰，日軍都是在最短的時間內使得敵方主帥陣亡或負傷，失去指揮艦隊的能力。
遺憾的是，丁汝昌事先竟然沒有指定自己的代理人，使得整個戰鬥過程中，北洋艦隊實際上處於群龍無首的亂戰狀態。直到海戰即將結束時，「靖遠」的艦長葉祖珪才主動升旗代為指揮。不知道在後面幾小時的戰鬥中，連東鄉平八郎都敬佩不已，遠遠見了都要敬禮的艦隊二把手劉步蟾、三把手林泰曾都幹什麼去了。
當雙方艦隊進至相距約3000米時，日本第一游擊艦隊4艘快速戰艦一面以猛烈炮火射擊，一面加快速度左轉舵繞攻北洋艦隊右翼「超勇」「揚威」兩艘弱艦。
此時，日本艦隊本隊其餘六艘艦隻恰好駛至北洋艦隊倒「V」字形的前方，北洋艦隊各艦艦首恰恰指向敵艦船腹。於是北洋艦隊各艦以艦首主炮猛烈轟擊敵本隊六艦。由於「比叡」「扶桑」「西京丸」「赤城」等幾艘速度較慢的艦隻落後，日艦隊被北洋艦隊攔腰截斷、分割為二。「定遠」「鎮遠」及右翼各艦發右舷炮火猛轟敵主力艦「松島」「千代田」「嚴島」「橋立」，左翼「致遠」「靖遠」等艦則發左舷炮火截擊「比叡」「赤城」等後續各艦。此時除了右翼「超勇」「揚威」之外，北洋艦隊主力各艦均處於較為有利的位置並全力開炮。
落在最後的「比叡」「赤城」遭到北洋艦隊的痛擊。「比叡」被打得走投無路，冒險闖入北洋艦隊陣中，企圖在「定遠」和「靖遠」之間500米的間隙中穿過，走小路與大隊會合，結果陷入「定遠」「鎮遠」「廣甲」「濟遠」等艦的包圍之中。北洋艦隊平時表演被李鴻章稱為「十六中十五」的神奇射術，這時在戰場上卻消失得無影無蹤。4艘大艦圍著一艘近在咫尺的小艦猛轟，仍然讓受到重創的「比叡」在熊熊烈火中衝出重圍。幸運脫離險境的「比叡」迅即打出了「本艦退出戰列」的信號逃離戰場。
北洋艦隊左翼各艦又以800米近距離猛轟「赤城」。正在艦上觀看海圖的艦長坂元八郎太海軍少佐被擊中頭部，鮮血及腦漿噴洒在海圖台上，當場斃命。隨後，代理艦長佐藤鐵太郎也被擊傷。在彈雨中，艦上軍官幾乎全被擊斃。「赤城」倉皇逃出作戰區域，宣布退出戰場。注意，這個「赤城」可不是半個世紀之後南雲艦隊的旗艦航空母艦「赤城」，那個橫行霸道的「赤城」絕對不至於如此窩囊。
代理艦長佐藤鐵太郎僥倖活命，後來成為日本海軍第一戰略家，和秋山真之一起被稱為「海軍兩參謀」。他所著的《帝國國防史論》一書，成為日本早期海權戰略的代表作，他後來還長期擔任海軍大學的校長。
除「比叡」「赤城」外，日本其他艦隻「吉野」「浪速」「高千穗」「秋津洲」「西京丸」也先後中彈，損傷並不嚴重。在這一階段，北洋艦隊稍佔上風。
但是右翼兩艘弱艦「超勇」和「揚威」卻在日軍第一游擊艦隊的攻擊下漸漸不支。14時23分，「超勇」沒入海中，艦長黃建勛落水。大清「左一」魚雷艇衝上去扔出了救援索，黃建勛甩開繩子，拒絕援救，自沉于海。隨後，「揚威」也在敵艦的密集炮火下沉沒，船上65人被魚雷艇救起，艦長林履中投海自盡。
此時，原停在大東溝口外的「平遠」「廣丙」兩艦及眾魚雷艇也應召前來助戰，駛到北洋艦隊右翼後方時恰好與日本本隊相遇，各艦立即向日艦發起攻擊。14時34分，「平遠」的炮彈先後命中日軍旗艦「松島」，隨後又發炮擊中「嚴島」。但「平遠」亦被日艦擊中起火，被迫暫避，「廣丙」也隨之退出戰場。
這時，日艦本隊已駛過北洋艦隊右翼，繼續向右轉舵，繞至北洋艦隊背後，與第一游擊艦隊形成對北洋艦隊的夾擊之勢。度過了艱難開局階段的日本艦隊開始逐漸佔據上風，北洋艦隊被迫處於內線作戰，腹背受敵，轉趨不利地位。
雖然形勢不利，但北洋艦隊廣大官兵毫不畏縮，反而愈戰愈勇。提督丁汝昌重傷不下火線，裹傷後坐於甲板上鼓舞士氣。日本臨時改裝的武裝商船「西京丸」接連中炮，需要人工操舵才能勉強行駛。蔡廷干駕「福龍」魚雷艇抵近「西京丸」在40米的距離上發射魚雷，這幾乎相當於把槍抵在腦袋上射擊，「西京丸」已在劫難逃。在船上督戰的日本海軍軍令部部長樺山資紀中將已經閉上了眼睛：「吾命休矣。」誰知因為距離太近，魚雷竟然從艦下穿水而過。樺山資紀死裡逃生。後來樺山資紀心有餘悸地對伊東祐亨說：「魚雷冒著氣泡鑽到船底下那情形，真的是比什麼都恐怖呀！」
日軍第一游擊艦隊在擊沉「超勇」和「揚威」之後，也加入了對北洋艦隊主力的圍攻。激戰中，「定遠」的前部被日艦「扶桑」擊中，燃起大火。見此情景，日艦立即群起向「定遠」撲來。「鎮遠」「致遠」立即上前掩護，為「定遠」爭取滅火時間。
早已傷痕纍纍的「致遠」以一敵四，炮彈幾乎耗盡。這時，「致遠」恰與日艦「吉野」相遇。艦長鄧世昌當即下令直衝「吉野」，準備與之同歸於盡。日本官兵見狀大驚失色，集中炮火向「致遠」射擊。「致遠」艦右側魚雷發射管被擊中引起大爆炸，15時30分在東經123度34分、北緯39度32分的黃海海面上沉沒。艦上官兵除7名遇救外，其餘全部壯烈殉國。
鄧世昌墜海後，隨從劉忠跳入海中，以救生圈援救，使之浮出水面。鄧世昌以「闔船俱沒義不獨生」，仍復奮擲自沉。其愛犬「太陽」游至身邊，「銜其臂不令溺」，世昌揮之不去，並以口銜其髮辮，鄧世昌用力按犬首於水，自己也沉沒於洶湧的波濤之中。這一天，正好是鄧世昌45歲的生日。
鄧世昌壯烈殉國的消息傳到國內，光緒帝大受感動。當即親筆書寫輓聯「此日漫揮天下淚，有公足壯海軍威」，賜予其「壯節」謚號，追封「太子少保」，入祀京師昭忠祠。清廷還賜給鄧母一塊用1.5公斤黃金製成的「教子有方」大匾。甲午戰爭結束後，山東民眾自發集資在榮成成山頭始皇廟為鄧世昌塑像並修建祠堂，每年都舉行祭祀活動。百年後，1996年12月28