9月16日2时左右，铭军搭乘招商局“新裕”、“图南”等五艘轮船，在北洋舰队的护卫下，由大连出发，午后抵大东沟。“平远”，“广丙”泊于港口，由“镇南”，“镇中”两炮艇护送进港，“定远”等十舰均泊于港外十二海里之大鹿岛东南。铭军四千人连夜上岸，安全到达目的地。不过，此时平壤已失，铭军无法起到应援的作用。
日本联合舰队早想与北洋舰队决一雌雄，当得知中国海军将护送陆军赴朝的消息后，便于9月14日午后由仁川港出发，15日到达大同江口。因不见有中国舰船，伊东祐亨命部分舰只溯大同江支援第五师团进攻平壤，其余舰只暂泊于小乳纛角的东北。伊东祐亨判断，北洋舰队有可能护送陆军往鸭绿江口一带，于是不待全舰队集中，立率军舰十二艘，于16日下午出发，向黄海北部的海洋岛方向航进，17日晨抵达该岛附近。
“松岛（旗舰）、“严岛”、“桥立”、“扶桑”、“千代田”，“比睿”、“赤城”、“西京丸”为本队，“吉野”“高千穗”、“秋津洲”、“浪速”为第一游击队。
9月17日上午10时30分左右，北洋舰队正准备起锚回航旅顺时，发现日本舰队自西南驶来，丁汝昌随即命令舰队起锚迎战。
日本联合舰队吨位总数大，航速快，机动性好，火炮多，攻击力较强；北洋舰队拥有两艘巨型装甲战列舰，重炮多，防护性能较好。
战斗之前，丁汝昌曾规定三条训令：“1.舰型同一诸舰，须协同动作，互相援助；2.始终以舰首向敌，借保持其位置，而为基本战术；3.诸舰务于可能范围之内，随同旗视运动之。”
北洋舰队开始成“并列纵阵”（“定远”、“镇远”两舰居前），以每小时五海里的速度向西南方向航进。各舰爱国官兵，“皆同仇敌忾，凝视敌队，自负决心，勇气百倍”。日舰则以第一游击队“吉野”、“高千穗”、“秋津洲"，“浪速”四艘速率最高的巡洋舰为先锋，伊东祐亨自乘旗舰“松岛”，率领本队“千代田”，“严岛”、“桥立”，“比睿”、“扶桑”跟进，12时许，又将武装商船“西京丸”及小炮舰“赤城”移至本队的左侧（非战斗一面）。丁汝昌、刘步蟾及总查德国人汉纳根等在“定远”舰前方的飞桥上，见日舰成“单行鱼贯阵”（单纵队）扑来，决定采取以主舰居中的“夹缝雁行阵”（交错配置的双横队）应战。由于阵形尚未完全组成，旗舰即以每小时八海里的速度前进，“济远”、“广甲”、“超勇”、“扬威”等后续舰斜行追赶不及，以致形成半月形而类似“后翼梯阵”（又叫“燕剪阵”）。因此，日方认为，北洋舰队当时所列队形。似为不规则之单横阵，又似后冀梯阵，而‘定远’、‘镇远’居中……”。
日舰第一游击队开始指向北洋舰队的中央，约距离一万二千米时，稍向左变换航向，然后又按原方向前进，准备首先进攻北洋舰队的右翼。本队也取大致相同的航向继进。
17日12时50分，双方舰队相距约五千七八百米，“定远”首先发主炮攻击，其余各舰亦相继开炮。弹丸落于日舰第一游击队近旁，但均未命中目标。当时正值微弱东风，硝烟弥漫于北洋舰队之前，日舰趁机以每小时十四海里的速度向前急驶。当前出到离北洋舰队右翼约三千米时，日第一游击队四舰陆续以其右舷速射炮猛轰“扬威”，“超勇”。13时5分，彼此仅距一千六百米，日舰以低弹道向“超勇”，“扬威”实施抵近射击，二舰相继起火，退出战斗。日舰“吉野”比中弹起火，但很快被扑灭。约13时30分，“超勇”沉没。这时，“平远”、“广丙”和两艘鱼雷艇已赶到，但因火力均不强，未能改善右翼态势。
当第一游击队绕攻北洋舰队右翼时，本队也与北洋舰队主力交相炮击。北洋舰队虽然阵形已被打乱，但各舰随时变换方向，力求陆岘首对敌，以充分发挥主炮威力。“‘定远，猛发右炮攻倭大队各船，又发左炮攻倭尾队三船”。日舰“比睿”、“赤城”因速度迟缓掉队，正好被北洋舰队所截击。13时10分，“比睿”突然改变航向，向右急转舵，冒死从“定远”，“来远”之间窜逃（距“定远”约一千米，距“来远”约四百米）。“定远”，“来远”以及“经远”等舰乘机予以夹击，重创“比睿”，迫使其向左转舵，逃出包围圈，追赶本队。黄海海战示意图之二“赤城”企图营救“比睿”，受到“来远”等舰的猛烈炮击，其舰长坂元八郎太等多人当场毙命。“西京丸”也受重伤，“舵已轰断，舟中观战之大吏（按：即海军军令部长桦山资纪）几被华军连船擒去”，“后遁至济物浦（仁川），丸中人如已赴法场重邀恩赦者然”。
日舰第一游击队掠过北洋舰队右翼以后，又向左作一百八十度回航，企图利用其速度快，便于机动的优点，配合本队作战。但本队旗舰“松岛”发信号令其归队，便又向左作一百八十度回航。于是，北洋舰队主力舰只对准第一游击队右侧后方，猛烈炮击。14时15分，第一游击队刚刚追上本队最后一舰“扶桑”，又见“西京丸”发出“‘比睿’，‘赤城’危险”的信号，只得再次向左作一百八十度回航。与此同时，本队已绕至北洋舰队的背后，与第一游击队形成夹击之势。这样，北洋舰队便陷入了腹背受敌的不利境地，队形更加混乱。
战斗过程中，丁汝昌身负重伤，仍然坚持在“定远”甲板上鼓励士兵作战。右翼总兵“定远”舰管带刘步蟾代替丁汝昌督战，沉着指挥。北洋舰队大部分官兵都能英勇战斗，奋不顾身。“致远”管带邓世昌是他们中的杰出代表。“致远”舰多处受创，船身倾斜，弹药将尽。邓世昌见日舰“吉野”十分猖狂，毅然下令开足马力，准备用冲角撞击“吉野”，与敌同归于尽。“吉野”慌忙规避，并发射鱼雷。“致远”不幸重伤，锅炉爆炸。约15时30分，“致远”沉没，邓世昌等二百五十名官兵壮烈牺牲。“经远”也中弹起火，管带林永升浴血抗战，不幸中弹阵亡。
“致远”沉没后，“济远”管带方伯谦和“广甲”管带吴敬荣，贪生怕死，临阵脱逃。日第一游击队尾迫不及，又折回猛攻已受重伤的“经远”。约17时左右，“经远”沉没，全舰二百七十名官兵除十六人获救外，余皆殉难。“广甲”仓皇逃跑时，“避大洋，傍岸行”，以致在大连湾的三山岛外搁浅（23日，遇日舰“秋津洲”，“浪速”巡航，便自行炸沉）。
“靖远”、“来远”因中弹过多，力不能支，退出战斗，避至大鹿岛附近紧急修补损坏的机器。“平远”、“广丙”及“福龙”雷艇也因尾追单烛逃跑的“西京丸”，而为敌第一游击队所断，未及归队。
在“致远”、“经远”等舰同第一游击队激战的同时，“定远”，“镇远”两舰正同联合舰队本队进行着艰苦的鏖战。一小时后，“定远”只有三门炮，“镇远”只有两门炮尚能发射。两舰以寡敌众，始终保持相互依恃的距离。虽中弹甚多，几次起火，全体官兵仍然坚持奋战，一面救火，一面拚死抵抗，并重创敌旗舰“松岛”。日方承认：“（午后）三点三十分，‘镇远’所发的三十公分半巨弹两门，命中了我旗舰‘松岛’下甲板炮台的第四号炮，放在近旁的十二公分炮的装药因此爆发，霹雳一声，船舳倾斜了五度，冒上白烟，四顾黯澹，炮台指挥官海军大尉志摩清直以下，死伤达一百余人，死尸山积，血流满船，而且火灾大作，更加困难。”由于无法继续指挥，伊东祐亨不得不下令各舰自由行动。
不久，“靖远”、“来远”抢修完毕，重新投入战斗。“靖远”帮带大副刘冠雄知“定远”舰号旗桅杆断裂，不能升旗指挥，建议管带叶祖珪代悬信旗集队，指挥各舰绕击日舰，并调出泊于港内的“镇南”，“镇中”等前来助战。于是，“平远”，“广丙”及各鱼雷艇也都折回。这时，日旗舰“松岛”已经瘫痪，“吉野”只剩下一具躯壳，失去战斗力，其余日舰也伤亡惨重，不能再战，又见北洋舰队重新集队，伊东祐亨便于17时40分左右下令各舰向东南方向遁逃。北洋舰队稍事追击，由于时已日暮，加之炮弹告竭，于是收队返回旅顺。
这次海战，历时五个多小时，其规模之大，时间之长，为近代世界海战史上所罕见。战斗中，日海军“松岛”、“吉野”，“比睿”、“赤城”、“西京丸”五舰受重伤，共死伤约六百人。北洋舰队“致远”，“经远”、“扬威”、“超勇”被击沉，“广甲”自毁，“来远”等舰重伤，共伤亡近千人。
黄海海战，北洋舰队的损失虽然大于日方，但亦给日舰以重创，并迫使其率先逃跑。因此，当时中外舆论对于谁是这次海战的胜利者，众说纷纭。从客观效果看，经过黄海海战，日本联合舰队虽未能达成“聚歼”北洋海军的目的，但由于北洋舰队嗣后不敢再战，日军基本上掌握了黄海制海权，为下一步实施花园口（今旅大市庄河西南九十里）登陆进攻辽东半岛创造了条件，对整个甲午战争的进程产生了重大影响。
李鸿章视北洋海军为私人资本，他不愿“以北洋一隅之力，搏倭人全国之师”，自然更不愿意以北洋舰队与日本联合舰队喋血一战，因而一再强调，“海军快船快炮太少，仅足守口，实难纵令海战”，主张将黄海制海权拱手让日本。这就不难看出，李鸿章提出的“保船制敌”方针，并非着眼于“制敌”，而是在于“保船”，其实质是避战自保。李鸿章先则不准丁汝昌率舰队护航增援牙山之清军，致有丰岛之败、“高升”之沉，助长了日本联合舰队的嚣张气焰；继则多次阻挠北洋舰队出海巡航，使日舰得以在汉江口至旅顺、威海卫之间的广阔洋面自由往来，而无后顾之忧。汉纳根曾指出：当时“已有责北洋海军之不山者，不知此不能为海军咎，且亦不能为丁汝昌咎也，有钳制海军者（如饬令毋得失船之类），丁汝昌不能专主也。”此语颇为切中要害。所以，清政府的腐败怯懦，李鸿章的消极防御与避战自保方针，实为海战失利的根本原因。当然，除了战略指导上的错误以外，还与其它因素特别是作战指挥和战术运用等有关。
丁汝昌以陆将任海军提督，指挥海上作战，自难得心应手。由于缺乏海战经验，因而不善于根据敌我舰船的战术技术特点，采取避敌之长、击敌之短的灵活战法。黄海海战开始时，北洋舰队以夹缝雁行阵对付敌人的单纵阵，这种战斗队形诸多不利，如最难维持阵形，不便行动自由，不易发挥全舰队炮火之威力等等，因而颇遭后人责难。当然，黄海海战中丁汝昌等决定采用横阵应战也不是没有原因的。《晨园漫录》指出：由于北洋舰队各舰购置较早，其装备“大抵专注重舰首之重炮，而于两舷侧之速射炮则不甚加意，……其后速射炮日益发达，我各舰仍然依旧，未曾加以改造”，为了充分发挥重炮的优势，“自以布成横阵为最便”。北洋舰队的中坚是“定”、“镇”二舰，各有三十点五厘米口径的主炮四门，它们不是安装在中心线上，而是位于军舰前部的两侧，只有基本上保持舰首对敌，才便于充分发挥其威力。因此，丁汝昌在战前训令巾规定“始终以舰首向敌，借保持其位置，而为基本战术”，在海战报告中，也有“各船均以船头抵御，冀以大炮得力”的说法。北洋舰队战术运用上的错误，主要在于把速度不同的军舰混合编组，并驾齐驱，致使“致”、“靖”、“经”、“来”四舰徒具高速而不能充分发挥其战术性能，丧火了巡洋舰应有的机动攻击作用，而陷于被动。相反，日方正是正确地利用了这一特点，将四艘高速舰单独编为一队，加之采用便于机动的单纵阵，因而在整个战斗过程中不受本队航速的限制，进行机动突击，而居于主动地位。其次，北洋舰队在编队土置弱舰于两翼，当敌舰迂回包抄其侧翼时，得不到强大炮火的支援。正是由于这一错误，一开始就造成“扬威”、“超勇”两舰中弹起火的恶果。此外，旗舰“定远”在战斗开始后不久就中弹负伤，失去升旗指挥的能力，对于整个舰队的作战也是有很大影响的。