1894年9月17日(平壤陷落的第三天)，日本联合舰队在鸭绿江口大东沟附近的黄海海面挑起—场激烈的海战。
当日，在大同江外海面，日本海军集中了12艘军舰，包括其全部精锐：吉野、高千穗、秋津洲、浪速、松岛、千代田、严岛、桥立等八艘五千马力以上的主力舰和巡洋舰。 甲午黄海海战图。
而清政府的北洋舰队，在丁汝昌率领下，十艘主力军舰，附属舰八艘，将铭军的十个营共四千人分乘五艘运兵船运达大东沟后，于上午8时，旗舰定远上挂出龙旗开始返航。
开战之初，双方的力量对比如下：
火炮鱼雷发射管总排水量总兵力平均航速节北洋水师195 27212614.5日本舰队268 36391610.2
不久，北洋舰队发现西南方向海面上有几簇黑烟，丁汝昌登上甲板了望，判定为日本舰队，于是命令各舰进入备战状态。
日舰也发现了北洋舰队，并逐渐靠拢过来。
北洋舰队旗舰定远首先开炮，日本旗舰松岛随后发炮还击，双方不宣而战，世界上首次大规模铁甲舰战役由此开始。
北洋舰队旗舰“定远”舰由于建造于1881年，久已失修，舰桥被突然开火的大炮震塌，丁汝昌受伤，信旗被毁。
丁汝昌拒绝躲避，坚持坐在甲板上督战。
因此，北洋舰队一开始就失去了指挥。
黄海海战。
日第一游击队4舰利用航速优势绕攻北洋舰队右翼“超勇”、“扬威”，二舰相继被击中起火，退出战斗，最终“超勇”沉没。
日舰“吉野”被北洋舰队击中起火，但很快被扑灭，其他战舰“比睿”、“赤城”、“扶桑”、“西京丸”被北洋舰队截击。
北洋舰 “定远”、“来远”、“经远”重创“比睿”、“赤城”。“赤城”舰长坂元八郎太当场毙命。“西京丸”也受重伤。
下午五时左右，“靖远”、“来远”修补好后，立即投入战斗。同时“平远”、“广丙”及炮舰“镇南”、“镇中”，鱼雷艇“福龙”、“左一”、“右二”、“右三”都奉命出港会合，北洋舰队军威大振。
日本联合舰队害怕定远、镇远诸舰会合鱼雷艇进行袭击，不敢再战。开足马力驶离战场。北洋舰队定、镇、靖、来、平、丙6舰在后尾追，但速度不及日舰，便停止追击，转舵驶向旅顺。历时近5小时的中日黄海海战至此结束。
至此，历时五个多小时的黄海海战结束。
北洋水师损失致远、经远、超勇、扬威、广甲5艘军舰，来远受重伤，死伤官兵约600人;日本舰队松岛、吉野、比睿、赤城、西京丸5舰受重伤，伤亡239人。
北洋水师退回旅顺、威海后，奉行李鸿章的“避战保船”不再出战，日本联合舰队控制了黄海制海权!