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，发现日本舰队自西南驶来，丁汝昌即命令舰队启锚迎战。日本舰队随后也发现了北洋舰队。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。日本则以第一游击队“吉野”、“高千穗”、“秋津洲”、“浪速”4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“西京丸”、“赤城”移至本队左侧。丁汝昌见日舰成“单行鱼贯阵”扑来，决定采取主舰居中的“夹缝雁行阵”（交错配置的双横队）应战。但由于旗舰“定远”舰速度过快，“济远”、“广甲”等舰未能及时跟上，阵形因此成为半月形而类似“后翼梯阵”。

12时50分，双方在大鹿岛（大洋河口外）西南3海里处开始交火。“定远”首先发主炮攻击，其余各舰相继开炮，但均未击中目标。战斗开始不久，“定远”发炮震塌飞桥，丁汝昌摔伤，信旗被毁，各舰失去指挥。日第一游击队4舰陆续以其右舷速射炮猛轰“扬威”、“超勇”，二舰相继被击中起火，退出战斗。日舰“吉野”也被北洋舰队击中起火，但很快被扑灭。13时30分左右，“超勇”沉没。

黄海海战

当日本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攻击。日舰“比睿”、“赤城”被北洋舰队截击。“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。

但是，日本舰队利用其航速快、便于机动的优点，第一游击队和本队互相配合，至14时15分左右，本队已绕至北洋舰队背后，与第一游击队形成夹击之势。北洋舰队腹背受敌，队形更加混乱。在混战中，“致远”舰多处受伤，船身倾斜。伊东祐亨令第一游击队救援“赤城”、“比睿”。“吉野”冲在最前面，正遇上“致远”。管带邓世昌见“吉野”十分猖狂，毅然下令开足马力，准备用冲角撞击“吉野”，以求与敌同归于尽，不幸被鱼雷击中沉没，邓世昌等250名官兵壮烈牺牲。

“经远”继续迎战“吉野”，也中弹起火，管带林永升、大副陈策阵亡，随后舰也被击沉，250余名官兵殉难。“致远”沉没后，“济远”管带方伯谦、“广甲”管带吴敬荣，贪生怕死，临阵脱逃。（方伯谦是否临阵脱逃，近年有不同看法。）“靖远”、“来远”因中弹过多，退出战斗，避至大鹿岛附近紧急修补损坏的机器。

在“致远”、“经远”等舰同第一游击队激战的同时，“定远”、“镇远”两舰正顽强抵抗着日舰本队的围攻，虽中弹甚多，几次起火，全体官兵仍然坚持奋战，重创敌旗舰“松岛”，打死打伤炮台指挥官海军大尉志摩清直以下100多人。