1894年9月17日12時，日本海軍旗艦“鬆島”上，聯合艦隊司令伊東祐亨看著面前排成“人”字形戰陣駛來的北洋艦隊，緊張得呼吸都要停頓了。受情報失誤的影響，伊東祐亨原本以為會在大東溝海域偷襲中國運兵船隊，再收穫一次豐島海戰式的勝利，但他沒想到的是會在這裡遇到北洋艦隊的全部主力，艦隊決戰已然不可避免，而他卻一點決戰的準備都沒有。此時的他不由得在心裡暗暗痛罵起非要乘著用舒適客輪改裝的代用巡洋艦“西京丸”來欣賞偷襲戰勝景象的海軍軍令部長樺山資紀來。現在戰鬥已經開始，“西京丸”和用於在淺水處偵察的炮艦“赤城”完全成了整個日本艦隊的累贅。
自從在豐島偷襲中國運兵船隊得手以來，日本海軍對於北洋艦隊始終抱有一種莫名的畏懼，擔心會遭到可怕的報復，而現在包括日本海軍畏之如虎豹的兩艘鐵甲艦在內的北洋艦隊主力全部出現在眼前，日本聯合艦隊上下充滿了大戰將臨前的恐懼和不安。對於多年的假想敵北洋艦隊，日本人其實並沒有多少戰勝的把握。
但眼前的一個奇怪的景象讓伊東祐亨感到大惑不解：北洋艦隊為什麼航速會如此之慢？甚至連7節都達不到？這難道是丁汝昌採取的什麼計謀嗎？
日本艦隊第一遊擊隊司令官坪井航三也對這一幕驚奇不已，他們根本無法想像，劣質的散碎煤炭加上接近報廢的鍋爐，使北洋艦隊的編隊航速最快也只能達到這個速度。
在“定遠”艦底部悶熱的鍋爐艙裡，水兵們一鍬鍬奮力向爐膛里加煤。但此時進入北洋戰艦鍋爐內的煤炭都屬於極劣質的散碎煤。6月中旬時李鴻章便要求負責給北洋艦隊供煤的開平礦務局緊急向北洋艦隊兩處基地旅順和威海輸送數萬噸煤炭備戰，但當時新任開平礦務局總辦、原醇親王府管家張翼為了牟利已經將優質煤炭全部賣掉了，庫存僅有劣質碎煤。由於短時間內無法開採出足夠的煤炭，張翼倉促之間便把這些無人問津的散碎煤炭運給海軍湊數。丁汝昌曾就煤炭品質問題向張翼多次嚴詞交涉，但並沒有什麼用處——張翼不可能憑空變出幾萬噸優質煤出來。
以“吉野”艦為首的日本艦隊第一遊擊隊已經開始從北洋艦隊陣前通過，以10節的航速向北洋艦隊的右翼駛去。此時這4艘白色的龐然大物已經徹底清楚地出現在北洋艦隊官兵的視野當中，這些日本軍艦看起來要比任何一艘北洋軍艦的體形都更為龐大，火炮也更多。
日本艦隊的編隊航速極快，而北洋艦隊的編隊航速只能維持在6至7節，照此下去，以二艦為一組的北洋艦隊各個戰術小分隊尚未能接近日本艦隊，日本第一遊擊隊可能就已經繞行到北洋艦隊火力薄弱的側翼或後側發起攻擊。
12時50分，“定遠”艦右側主炮臺上騰起一團巨大的白色煙霧，同時發出驚天動地的巨響，重達30餘噸的305毫米巨炮被強大的後座力緩緩推向下炮架的末端，整個炮臺籠罩在了嗆人的煙霧中。一顆重292公斤的鋼鐵巨彈旋轉著飛出炮膛，流星一般射向遠方的日本第一遊擊隊。
為了在日本第一遊擊隊運動到自己右翼之前給其最大程度的打擊，劉步蟾決定在遠距離運用北洋艦隊大口徑艦炮的射程優勢，於是下令在距離5000米時先發制敵。
“定遠”艦射出的第一顆炮彈發出刺耳的尖嘯，從日本第一遊擊隊上空掠過，落在距離“吉野”艦左舷僅數百米處的海中，激起了沖天水柱。看到“吉野”艦險些被擊中，坪井航三和艦長河原要一相顧失色。
即使使用的是極為劣勢的裝備，北洋艦隊官兵依然表現出了比日本海軍更強的戰鬥素養。
以旗艦的動作為號令，北洋艦隊各艦相繼開火射擊，天空中現出道道軌跡，一顆顆鋼鐵炮彈呼嘯著射向日本艦隊。黃海大海戰正式打響。
北洋艦隊準確而猛烈的炮擊給了日本艦隊以很大的壓力，日本第一遊擊隊不得不將編隊航速提高至14節，以求快速駛出北洋艦隊的炮火覆蓋區。日本本隊的軍艦也將編隊航速提高至12節。
而發起亂戰衝擊的北洋艦隊，航速仍然沒有能夠超過8節。
在雙方交戰距離還沒有到達規定的3000米時，日本本隊旗艦“鬆島”上的炮手因為承受不了北洋艦隊的炮火壓力，不顧戰前定下的紀律和戰術規範，開使用120毫米速射炮向北洋艦隊射擊，受其影響，日艦“嚴島”也跟著提前開火，不久本隊各日艦也相繼開始了射擊。由於大量參戰的日本水兵是臨時徵召而來，日艦此時的盲目炮擊除了給這些人壯膽之外沒有任何作用。一些當代歷史研究者不顧“定遠”艦305毫米主炮的有效射程為7800米這一事實，一味批評北洋艦隊在5000米以外的第一輪炮擊是“盲目開火”，而卻並沒有去注意日本聯合艦隊本隊僅僅幾分鐘後的炮擊才是真正的盲目開火。
在北洋艦隊的準確炮擊之下，日本海軍主力艦“吉野”率先中彈，並且被引爆了堆積在甲板上的彈藥，引發了火災，少尉淺尾重行和水兵牛島喜太郎當場被打死，另有9名水兵受傷。不多時“高千穗”、“秋津洲”、“浪速”等數艘日艦也接連中彈，在日本第一遊擊隊衝出炮火覆蓋區後，北洋艦隊諸艦集中火力攻擊日本艦隊旗艦“鬆島”，使其接連中彈，320毫米主炮也被擊中，無法使用。但北洋艦隊射出的黑火藥炮彈效能不足，猛烈而準確的射擊沒有能給日艦造成致命的傷害。而在交戰距離接近至3000米左右後，日艦凶猛的火力便完全展現出來。
日本艦隊同樣將火力集中到了北洋艦隊旗艦“定遠”身上，在日艦密如雨點的攻擊下，“定遠”艦訊號旗被毀（此事被一些無識之士拿來說明未設代理旗艦致使北洋艦隊失去指揮是其敗因，實際上當時海戰因旗語易出現語義理解混亂及硝煙瀰漫無法辨識，各艦在戰鬥中多參照旗艦及僚艦運動，各國海軍莫不如此，日本亦如是），在飛橋上督戰的丁汝昌被彈火燒傷，艦上官兵也死傷慘重。更為可怕的是，裝有下瀨火藥的炮彈爆炸使艦上燃起了大火，黃色毒煙以及艦內木製構件燃起的黑煙將整個“定遠”艦完全籠罩，咫尺莫辨，包括4門305毫米主炮在內的所有武器都停滯下來。看到這樣的情形，日本聯合艦隊各艦上到處都充滿著狂歡的氣氛，日本第一遊擊隊以“吉野”為首的4艘新銳巡洋艦逼近已無還手之力的“定遠”，集中全部炮火猛轟，伊東佑亨指揮的本隊各艦也不斷攻擊，彈雨傾注之下，“定遠”艦上爆炸不斷，情勢萬分危急。
”定遠“艦中彈起火，”致遠“艦上前護衛
眼見旗艦危在旦夕，鄧世昌指揮裝甲防護並不強大的“致遠”艦挺身而出，上前護衛旗艦，為“定遠”艦爭取了寶貴的自救時間，經艦上官兵及洋員的奮戰，大火終被撲滅。“定遠”艦轉危為安，但防護薄弱的“致遠”艦卻在日艦速射炮群射出的彈雨中受到了致命的傷害，眼見戰艦已現側傾，不能久持，鄧世昌決然下令“致遠”艦衝向日本本隊（此前多數論著述“致遠”所衝擊之目標為“吉野”，經近年研究及沙盤推演覆盤，當為“鬆島”或緊隨其後之“千代田”），欲與敵艦同歸於盡，亂敵陣形，以已之犧牲換全軍之捷利。可惜被日艦射出的炮彈擊中鍋爐艙（後世論著多稱“致遠”為日艦射出之魚雷擊中，此說不確。當時魚雷效能較差，難以擊中高速航行之目標，日艦臨戰前為免殉爆多將魚雷拋棄，日方黃海海戰記錄中也無一日艦發射過魚雷，倒是記載中方有多次雷擊記錄。從“致遠”沉沒時白氣上衝情形推斷，當為鍋爐艙中彈爆炸），行至中途即沉沒。鄧世昌及艦上多數官兵壯烈殉國。
日艦速射炮編織的密集火網，成了“致遠”艦瀕死一擊都難以逾越的障礙。
除鄧世昌下令採用具有極大破壞性的強壓通風使“致遠”艦在最後的決死衝鋒時達到過將近20節的高速外，北洋艦隊再沒有一艘戰艦的航速超過8節。在擁有高航速和速射炮火力的日本艦隊面前，完全陷入被動挨打的境地。
歷經3個多小時的激戰，日本艦隊僅有旗艦“鬆島”被重創，舊式鐵甲艦“比睿”、炮艦“赤城”和代用巡洋艦“西京丸”受傷逃離戰場，整體實力下降不大。而北洋艦隊“超勇”、“致遠”兩艦沉沒（“揚威”艦起火後退出戰場自救，後為慌不擇路的“濟遠”撞沉），“濟遠”、“廣甲”兩艦逃遁（“廣甲”後觸礁擱淺），“靖遠”、“來遠”、“經遠”等艦火災嚴重退出戰場至淺水區自救（“經遠”在撤離時受日本第一遊擊隊四艦追擊，遭重創後堅持駛至大連蝦老石海域沉沒），僅剩“定遠”、“鎮遠”兩艘鐵甲艦在戰場上苦苦堅持，直至彈藥垂盡。如果不是日本艦隊官兵上下久戰疲憊，伊東祐亨在旗艦遭重創失去戰鬥力後產生了心理陰影，喪失戰意而下令撤離，北洋艦隊的結局很可能不堪設想。
大東溝海戰北洋艦隊的失敗主要是舊技術敗於新技術。從1888年取得了亞洲第一的桂冠後就被迫裹足不前的北洋艦隊，面臨1892年崛起的新的亞洲第一——日本聯合艦隊時，在技術裝備上存在著巨大的差距，而對於主要是以技術裝備為載體，充滿技術角逐色彩的近代化海戰而言，這種差距是致命的，它意味著兩國的軍人即使是付出了同樣的努力和犧牲，最後得到的結果也會完全不同。
黃海戰後”鎮遠“艦甲板照片，為日艦炮火毀壞嚴重
黃海戰後“來遠”艦照片，甲板被完全燒光，鋼樑也被燒得扭曲變形
中國以往關於北洋艦隊和甲午海戰的某些研究，部分知識淺薄之輩無法從技術上解釋失敗，因而一味地將北洋艦隊戰敗的原因籠統地歸結為是封建王朝的艦隊官兵腐敗無能，為了證明這一觀點而去尋找各種負面材料，為黑而黑，彷彿替換一名海軍提督、幾名艦長或者是換一批軍人這場海戰的結果就會完全不同。但是在客觀地了解到北洋艦隊此戰無論在軍艦的樣式、航速，火炮的數量、射速，炮彈的效能和供應，甚至煤炭的品質方面都完全落後於對手後，我們就應該明白，換一個提督、換幾名艦長、或者換一批軍人，根本不可能對這次海戰的結局發生影響。有些戰鬥是軍人無論如何努力也無法取得勝利的，這就是技術的差距。越是近現代化的戰爭，越是富有技術含量的戰爭，這一點表露的就越為明顯。當僧格林沁的蒙古鐵騎在英法聯軍的大炮和步槍面前成片倒下時，歷史就十分清楚地告訴了我們，這已經不再是光憑著勇氣就能贏得戰爭的時代了。
李鴻章說的“器械之相懸”，是實實在在的情形，並非是戰敗諉過之詞。中國因1884年後忽視裝備技術的更新和提高而付出了沉重的代價。甲午戰爭爆發時，正值中國經歷三十餘年洋務運動，而日本也因1868年明治維新而經歷二十餘年改革，甲午戰爭可以看作是幾乎同時起步進行改革的中日兩國改革成果的一次檢驗和比拼，結果是以中國完敗而告終。
以史為鑑，可以知興替。甲午戰爭及北洋艦隊戰敗的那段歷史，絕不應該是後人茶餘飯後的閒聊談資，也絕不應該刻意拿來隨便詮釋塗抹，而是應該帶來深刻的反思。