作战计划获得明治政府批准，日军大本营将原有军队改编，组成“山东作战军”，以陆军大将大山岩为司令官，下辖第二师团(包括第三旅团和第四旅团)、第六师团(包括第十一旅团)和混成旅第十二旅团，再加上军兵站部等，总兵力达到25000人，日军装备、素养极高。1895年(光绪二十一年)1月20日，以大山岩为司令官的日军在联合舰队25艘军舰、16艘鱼雷艇的掩护下，进攻威海卫东南10余里处的荣成。
清军仅在烟台以东的部队就有43营，21000多人，但清军陆军缺乏训练、装备落后，而且驻扎分散，战斗力低下。荣成县并无军队驻守，知县杨承泽因海防吃紧，下令县内士绅筹办民团，称荣成县海防总团，但是队伍没有枪支，每人手持一根长矛，操练时各随鼓点舞动，如同演戏一般。
日军舰曾经佯攻炮轰登州城，吸引清军注意力，没想到清军根本没有能力应付佯攻，日军佯攻的牵制作用竟可悲地没有起效，日军登陆，登州守将则从仓库里拖出一门名为“镇海侯”的古董铁炮，而这个古董竟然是三百年前的戚家军所铸造。日军见佯攻不成便回军撤退，被山东官员看作是古代神器发挥了作用，把倭寇吓逃跑了。
日军兵不血刃地占领了荣成县城，在荣成的电信局里接到威海的一封电报，询问日军登陆情况，日本技师回电：“没有一个日本人。”随即切断了烟台和威海之间的通信电线。溃败下来的清军逃至荣成县城外，见大门紧闭，便继续蜂拥西去。守城兵士见状已经吓破了胆，也打开城门西逃。眼见大势已去，杨承泽跑到城里躲了起来，几天后逃往济南。
威海卫通向荣成的道路，可分为从崮山-河东村-鲍家村-三官庙-温泉寨-龙家村一线靠近海边的北路，称威海大道;从羊亭集-虎山-温泉汤-桥头集-埠柳集一线的南路，称为芝罘大道，至今这两条路仍然是威海至荣成的交通要道。
1895年农历大年初一，即西历1月25日，日军全部登陆算起，沿着芝罘大道的方向向威海挺近，沿途仅遇到微弱抵抗。1月30日，日军对威海的南帮炮台发起了总攻。不到一天的时间，南帮的陆路炮台和海岸炮台陆续失守，其中的陆路摩天岭炮台被日军占领后，用俘获的大炮调头轰击我方阵地。陆军少将大寺安纯在攻下摩天岭炮台、让随军记者摆拍时，被北洋水师军舰的精准一炮送上了西天。
日军占领威海南帮之后，本想从海边大道直捣威海卫城，但受北洋舰队的炮火封锁，绕道西路进攻威海卫。中国守军在极为有利的情况下，又主动撤退，日军随即转败为胜。清军撤退军官虽被正法，但威海卫城内已无清军。
在威海卫的东北方向，还有北帮炮台，由于守将戴宗骞御兵无方，防守兵士几乎逃散殆尽，实际上已无兵可守。北帮炮台被日军攻占。威海卫陆地全失，刘公岛成为孤岛，北洋舰队处于日本海陆军的合围之中。
30日，日军进攻南帮炮台，联合舰队也从海上封锁港口，正面炮击威海卫。30日下午南帮炮台失守，统领刘超佩逃至北岸。北帮炮台失守，北洋舰队陷于日陆、海军的夹击之中。
1895年2月3日，日舰及占据南帮炮台的日军水陆合击北洋海军，“定远”中雷后搁浅，不久自毁，“来远”、“威远”、“宝筏”等相继沉没，擅自逃跑的12艘鱼雷艇，皆被俘。日旗舰“松岛”受重创，沉毁鱼雷艇5艘。北洋海军内的外国顾问英国人马格禄、美国人浩威等，勾结部分贪生怕死清军将领，公开威胁海军提督丁汝昌投降。丁汝昌在得到陆路增援无望密报后，令各舰同时沉船，以免资敌，遭到抵制，旋又令剩余舰船拼死突围，也无人执行。
1895年2月2日，日军占领威海卫。
甲午战争后，山东遭遇到了一场极大的水灾。12个州县，18625个村庄受灾，黄河在山东境内多处决口，人民流离失所。这仅仅只是为甲午中日战争“还账”的一个开始而已。或许对于大多数人来说，天降大雨的“天灾”与那场耻辱的战争毫无瓜葛，但是对于真正的学者来说，二者关系颇为紧密。
在1894年甲午中日战争爆发之前，李鸿章接连调动兵马进入朝鲜。山东巡抚李秉衡加强了威海卫一带的防御建筑修建，又从山东的黄河防汛营中抽掉了一部分兵力，而这也为后来的水灾埋下了伏笔。及至今日，尽管史学界对于李秉衡“爱国”还是“卖国”依然争论不休，但是对于其抽调河务营参加甲午战争却一致认为是“昏招”。常年从事黄河防汛工作的河务营，并不善于征战，与其说他们是战斗人员不如称其为工程兵。因此，他们在被卷入甲午战争之后，并没有起到多大的正面作用，其战斗力低下且容易被击溃的特征，却给其它作战部队带来了负面影响。更在之后削弱了山东的防汛力量。
甲午战争之后，李秉衡将河务营重新进行了调整和补充，但黄河各堤段已经有一年多没有进行养护了，更为重要的是，甲午战争也耗尽了山东原本就微薄的库存粮草和白银。牵一发而动全身，有学者统计发现，从1894年到1899年6年的时间里，山东连年发生水灾、旱灾和虫灾，而其中很大一部分原因，就是来自于那场失败的战争造成了黄河治理的颓废。