早在日本第一軍進攻海城之前，日本首相伊藤博文就提出，要盡量避免在直隸平原與清軍進行決戰。伊藤博文的觀點是，憑日本的力量單獨吃掉中國是不可能的。即使能吃下，西方列強也不會置之不理，反而很可能聯合起來對付日本。對中國的目標不是吃掉，而是謀取最大的利益。如果日軍攻下了北京，很可能導致中國暴亂四起，萬一清政府因此垮台，找誰談判要地要錢去？伊藤還指出，此時渤海灣已進入冰凍期，交通和補給越來越困難。伊藤博文提出下一步的目標是進攻威海衛，徹底殲滅北洋艦隊，並伺機佔領台灣。
恰在此時，聯合艦隊司令伊東祐亨也提出了進攻山東半島，全殲北洋艦隊的建議，真可謂「英雄」所見略同。戰後日本的史學家曾說，甲午戰爭是由政治家掌舵的戰爭，作為文官的伊藤博文從政治策略的觀點出發，給日本指明了方向，軍事被放在有利於政治策略的位置上，這才有了甲午戰爭的完勝。可惜的是，日本之後逐漸背離並放棄了這條道路，最終走向萬劫不復。
11月7日，北洋艦隊剩餘主力艦隻匆忙離開即將陷落的旅順軍港，前往威海衛避難。伊東祐亨沒有試圖從海上攔截倉皇出逃的北洋艦隊而讓其順利地逃進了威海衛軍港。攔不攔是態度問題，攔不攔得住是能力問題。伊東此舉的危險不言而喻，當時已遭重創的北洋艦隊雖無戰意，但完全可以遠走他鄉，去往青島、上海，甚至福建、廣州，休生養息並會合福建、廣東水師後，捲土重來。
可惜北洋艦隊沒有那樣做，而是選擇了龜縮在威海衛軍港內等死。北洋艦隊和丁汝昌當時在想什麼，沒有人知道。港外觀戰的英國遠東艦隊司令斐利曼特爾在日記中納悶地寫道：「已經不可能有援軍了，絕望的北洋艦隊還在等待什麼呢？」
北洋艦隊不戰、不降、不走，只是在絕望中等待著滅亡的命運。
屋漏偏逢連陰雨。巨艦「鎮遠」在進入威海衛軍港時，不慎觸礁重傷，已經無法出海作戰。「鎮遠」的艦長林泰曾因此負疚自殺，時年44歲。這個林泰曾是林則徐的堂孫，前面提到的南洋大臣沈葆楨的外甥，也屬於北洋艦隊的傑出人物之一。
威海衛地處山東半島頂端，港灣呈半圓形，有劉公島、日島橫列灣內，形勢險要。早在1398年，明太祖朱元璋為了抗擊倭寇，就在此地設置了衛所。此時，港灣南北兩岸及劉公島、日島建有10餘座炮台，配備新式大炮100餘門，火力交錯，防禦堅固，成為北洋海軍的主要基地和艦隊司令部所在地。在旅順稍事休整的北洋海軍主力全部泊聚於此。
除了來自海面的威脅，北洋艦隊還必須防備來自背後陸路的攻擊。丁汝昌多次請求調天津等地的兵力加強威海衛陸路的防守。朝廷認為京畿地區比起山東半島更加重要，斷然駁回了丁汝昌的請求。丁汝昌也請求調南洋艦隊、福建水師、廣東水師的艦船前來支援，照樣未果。
1895年1月20日，大山岩大將率領日本第二軍3萬餘人，在聯合艦隊25艘軍艦、16艘魚雷艇的掩護下，從山東半島的榮城灣開始登陸。可悲的是，一千年前日本派來的遣唐使，恰恰也就是從這裡離開返回日本的。當時帶走的是文化與和平，今天送來的是戰爭和殺戮。
和在遼東花園口類似，日軍的登陸活動整整持續了五天，隨後從容整軍向威海衛進發。由於清廷對日軍主攻方向判斷錯誤，重兵集中於奉天、遼陽和京津一帶，山東半島防禦相對薄弱。即使那些並不強大的防守力量也分散在半島各地，因此日軍雖遭遇零星阻擊，還是很快攻臨威海衛城下。
當時負責防守威海衛北面的是戴宗騫的4000人，南面是劉超佩的3000人。在劉公島上還有李鴻章外甥張文宣的北洋護軍2000人。1月30日，日軍對威海南幫炮台發起了總攻。聯合艦隊也從海上封鎖港口，正面炮擊威海衛。不到一天的時間，南幫的陸路炮台和海岸炮台陸續失守，統領劉超佩逃至北岸。陸路摩天嶺炮台被日軍佔領後，日軍旅團長大寺安純陸軍少將得意地擺出pose等待隨軍記者拍照留念，被北洋水師軍艦精準的炮火擊中，這個「旅順大屠殺」中殺害了無數中國人的劊子手，馬上魂歸西天。大寺安純也是整個甲午戰爭中日軍陣亡的最高級將領。
2月1日，北幫炮台清兵嘩變，全部潰散，主帥戴宗騫左右僅剩19人相隨，炮台隨即落入敵手。第二天，丁汝昌派小艇載戴宗騫至劉公島，是夜，自知難逃追究的戴宗騫吞鴉片自殺。為了避免日軍利用陸上炮台轟擊港灣之內的北洋艦隊，心急如焚的丁汝昌派出敢死隊，將北幫炮台連同彈藥庫一起炸毀。
2月2日，日軍進逼威海衛城，城內清兵早已逃得不知去向，日軍再次不戰而得空城。
至此，陸上三面都被日軍佔據，出海口是凶神惡煞的聯合艦隊，北洋艦隊陷於日本陸海軍的四面夾擊之中。丁汝昌用實際行動詮釋了「四面楚歌」，「等死」，「置之死地也可能不生」這些詞句的真正含義。
日軍從已經佔領的南幫炮台以猛烈的陸上炮火狂轟日島，同時派出18艘艦艇分四批輪番向日島進攻。「康濟」的艦長薩鎮冰指揮島上士兵利用8門炮堅守了8天之久。最後，島上的彈藥庫被日軍擊中發生劇烈爆炸，丁汝昌無奈只好派出艦艇將島上人員接回劉公島，日島失守。
在此期間恰好薩鎮冰夫人前來探望，得到消息的薩鎮冰讓人轉告：讓她回去，就說我死了。
自2月3日開始，日艦及佔據南幫炮台的日軍水陸合擊北洋海軍。炮戰第一天，日艦「筑紫」「葛城」反被擊傷。夜間，日軍開始用魚雷艇進行偷襲。一艘魚雷艇冒死沖壞了由水雷組成的「欄壩」，第三魚雷艇隊六號艇乾脆就乘著一個大浪衝到港里去了，隨後多艘魚雷艇沖入港內大放魚雷。六號艇發射的魚雷擊中了北洋艦隊旗艦「定遠」，導致「定遠」的艦底進水、艦身傾斜，為了避免沉沒，不得已衝上劉公島東部淺灘擱淺，「遠東第一巨艦」變成了固定的死炮台。
這個六號魚雷艇的艇長，就是後來日本海軍三大理論家之一，歷任聯合艦隊司令長官、軍令部部長，被稱為「不死之鬼貫」的日本終戰時的首相，當時的海軍大尉鈴木貫太郎。
第二天，從望遠鏡里看到「定遠」擱淺的伊東祐亨大喜過望，那讓人恨之入骨卻又無可奈何的「定鎮二遠」終於都歇菜了。伊東隨即下令艦隊向港內發起進攻。經過激烈的炮戰，日本艦隊還是無法衝進港口。
強攻不行，就來智取。當晚，日本魚雷艇再次沖入港內進行襲擊，「來遠」「威遠」以及佈雷艦「寶筏」被相繼擊沉。據說當時「來遠」和「威遠」艦長邱寶仁、林穎啟都在岸上嫖妓未歸。老酒稍稍有點懷疑，不在艦上是可能的，但是在炮火連天的特殊時期，島上的妓院還能開門營業嗎？
2月7日，日本陸海軍再次發起猛攻，這天出現了戲劇性的一幕。北洋艦隊魚雷艇頭領王平、蔡廷干密謀逃跑，自告奮勇要出擊襲擊日艦。結果12艘魚雷艇一起衝出，不是去進攻，而是一起趁勢往外逃跑。慌亂中，這些魚雷艇不是觸礁，就是被日艦擊沉、俘虜，只有王平駕駛「左一」艇僥倖逃到煙台。這一卑劣的逃跑舉動，嚴重打擊了北洋艦隊的士氣。
2月8日，「靖遠」被擊沉。當天夜裡，日軍用炸藥炸毀了400米長的水雷攔壩。劉公島已經陷於一片混亂。士兵開始鳴槍過市，大批官兵齊聚海軍公所門前，哀求丁汝昌放條生路。絕望的丁汝昌下達了炸沉「定遠」和「鎮遠」的命令，卻無人執行。
10日下午，劉步蟾親自率領水雷營的士兵登上了「定遠」。炸藥埋好後，劉步蟾遲遲不願意下達命令。丁汝昌一直在海軍公所內等待那一聲巨響。響聲久久沒有傳來，丁汝昌無奈策馬前來催促，劉步蟾這才忍痛下令將「定遠」炸沉。
這天的劉公島上，飄起了漫天飛雪。劉步蟾，這位22歲就出任艦長、36歲就擔任北洋艦隊副司令的北洋海軍傑出將領，冒著大雪看望了移居到各處的「定遠」的官兵，和他們一一告別。當晚，劉步蟾吞鴉片自殺，時年43歲。劉步蟾以死踐行了其生前「苟喪艦，必自裁」的諾言。
1896年，日軍打撈出「定遠」，運回國內。在今天的日本福岡，有一個小小的庭院叫「定遠館」，其建築設施除了磚瓦之外，所有材料均取自「定遠」艦。據說不遠處的光明禪寺還有一張刻著「定遠」二字的方桌，有人說，那就是劉步蟾當年的辦公桌。
聯合艦隊司令伊東祐亨和丁汝昌也是多年的老交情。他請在附近觀戰的英國海軍遠東艦隊司令斐利曼特爾向丁汝昌轉交了勸降書。收到勸降書的丁汝昌不為所動，決心死戰到底，同時將勸降書電告李鴻章以明心跡。之後丁汝昌曾告家人：「吾身已許國。」
11日晚，丁汝昌接到了來自煙台「全力突圍」的密電，知道援軍已經徹底無望。丁汝昌提議大家合力突圍，多數將領表示反對，紛紛散去。當天晚上，萬念俱灰的北洋艦隊司令官丁汝昌