甲午戰争爆發後，日本海軍按原定作戰計劃，準備在黃海尋殲中國北洋海軍。1894年9月17日，中日海軍在黃海北部海域相遇，遂爆發了中國近代海軍建軍以來最大的一次海戰，給中日戰争爾後的程序帶來了重大影響。
1894年7月，中日兩國軍隊齊集北韓，戰争迫在眉睫。7月中旬，日本海軍主力艦艇在佐世保軍港集結，成立聯合艦隊(由常備艦隊和西海艦隊合編而成，伊東祐亨任司令官)，下分本隊和第一、第二遊擊隊。7月23日，日本聯合艦隊從佐世保啟航。7月25日，日艦“吉野”、“浪速”、“秋津洲”于豐島海面襲擊中國運兵船和護航艦隻，獲得成功，使日本增強了戰勝中國海軍的信心。
自此以後，聯合艦隊一直活動于北韓海域，一面掩護後續陸軍和軍械糧秣的海上運輸，一面聲援日軍的陸路作戰。8月5日，日本大學營指令聯合艦隊搜尋和擊破中國艦隊，伊東祐亨随即于8月7日率艦隊從隔音島出發，駛往黃海西部海面。 北洋艦隊方面受李鴻章避戰保船思想的牽制，自7月25日豐島海戰之後，隻敢在大同江口和威海衛軍港之間來回巡弋。
後來，日艦竄至旅順口、威海衛港外，威脅到沿海地區的安全，清政府于是在8月23日急令北洋艦隊應在威海、大連灣、煙台、旅順等處 “來往梭巡，嚴行扼守，不得遠離，勿令一船闌入”。此後，北洋艦隊再未遠巡，不出北洋一步，将制海權輕易讓給日本，使北洋艦隊日益陷入消極自保的被動局面。
9月上旬，清政府鑒于平壤之戰即将爆發，準備增派援兵。為了争取時間，決定将駐防大連一帶的總兵劉盛休所部銘軍8營4000人由海道運至中朝邊界大東溝登陸，再輾轉前線。9月15日，北洋艦隊主力抵達大連灣，擔任船隊的護航任務。
9月16日淩晨，丁汝昌率“定遠”、“鎮遠”、“濟遠”、“緻遠”、“靖遠”、“經遠”、“來遠”、 “平遠”、“超勇”、“揚威”、“廣甲”、“廣丙”、“鎮南”、“鎮中”14艦及 “福龍”、“左隊一”、“右隊二”、“右隊三”4艘魚雷艇從大連出發，護送銘軍，當日午後抵大東溝。晚上，銘軍上岸，到達目的地。 不過，此時，平壤已經失陷，銘軍無法起到應援的作用。 日本聯合艦隊得知中國海軍将護送陸軍赴朝的消息後，伊東祐亨判斷北洋艦隊有可能在鴨綠江口一帶，于是率軍艦12艘于16日下午出發，向黃海北部的海洋島航進，17日晨抵達該島附近。
日本這12艘軍艦是：“松島”、“嚴島”、“橋立”、“扶桑”、 “千代田”、“比睿”、“赤城”、“西京丸”、“吉野”、“高千穗”、“秋津洲”、 “浪速”。 9月17日上午10時30分左右，北洋艦隊正準備起錨回航旅順，發現日本艦隊自西南駛來，丁汝昌即指令艦隊啟錨迎戰。日本艦隊随後也發現了北洋艦隊。
北洋艦隊開始成 “并列縱陣”(“定遠”、“鎮遠”兩艦居前)，以每小時五海裡的速度向西南方向航進。日本則以第一遊擊隊“吉野”、“高千穗”、“秋津洲”、“浪速”4艘速率最高的巡洋艦為先鋒，伊東祐亨自乘旗艦“松島”，率領本隊“千代田”、“嚴島”、“橋立”、“比睿”、“扶桑”跟進，12時許，又将“西京丸”、“赤城”移至本隊左側。丁汝昌見日艦成“單行魚貫陣”撲來，決定采取主艦居中的“夾縫雁行陣”(交錯配置的雙橫隊)應戰。 但由于旗艦“定遠”艦速度過快，“濟遠”、“廣甲”等艦未能及時跟上，陣形是以成為半月形而類似“後翼梯陣”。
12時50分，雙方在大鹿島(大洋河口外)西南3海裡處開始交火。“定遠”首先發主炮攻擊，其餘各艦相繼開炮，但均未擊中目标。戰鬥開始不久，“定遠”發炮震塌飛橋，丁汝昌摔傷，信旗被毀，各艦失去指揮。日第一遊擊隊4艦陸續以其右舷速射炮猛轟“揚威”、“超勇”，二艦相繼被擊中起火，退出戰鬥。日艦“吉野”也被北洋艦隊擊中起火，但很快被撲滅。13時30分左右，“超勇”沉沒。 當日本第一遊擊隊繞攻北洋艦隊右翼時，本隊也與北洋艦隊主力交相攻擊。
日艦 “比睿”、“赤城”被北洋艦隊截擊。 “定遠”、“來遠”、“經遠”重創“比睿”、“赤城”。“赤城”艦長坂元八郎太當場斃命。“西京丸”也受重傷。 但是，日本艦隊利用其航速快、便于機動的優點，第一遊擊隊和本隊互相配合，至 14時15分左右，本隊已繞至北洋艦隊背後，與第一遊擊隊形成夾擊之勢。北洋艦隊腹背受敵，隊形更加混亂。在混戰中，“緻遠”艦多處受傷，船身傾斜。伊東祐亨令第一遊擊隊救援“赤城”、“比睿”。“吉野”沖在最前面，正遇上“緻遠”。管帶鄧世昌見 “吉野”十分猖狂，毅然下令開足馬力，準備用沖角撞擊“吉野”，以求與敵同歸于盡，不幸被魚雷擊中沉沒，鄧世昌等250名官兵壯烈犧牲。
“經遠”繼續迎戰“吉野”，也中彈起火，管帶林永升、大副陳策陣亡，随後艦也被擊沉，250餘名官兵殉難。 “緻遠”沉沒後，“濟遠”管帶方伯謙、“廣甲”管帶吳敬榮，貪生怕死，臨陣脫逃。(方伯謙是否臨陣脫逃，近年有不同看法。)“靖遠”、“來遠”因中彈過多，退出戰鬥，避至大鹿島附近緊急修補損壞的機器。 在“緻遠”、“經遠”等艦同第一遊擊隊激戰的同時，“定遠”、“鎮遠”兩艦正頑強抵抗着日艦本隊的圍攻，雖中彈甚多，幾次起火，全體官兵仍然堅持奮戰，重創敵旗艦“松島”，打死打傷炮台指揮官海軍大尉志摩清直以下100多人。 不久，“靖遠”、“來遠”搶修完畢，重新投入戰鬥。
“靖遠”幫帶大副劉冠雄見 “定遠”号旗桅杆斷裂，不能升旗指揮，建議管帶葉祖珪代懸信旗集隊，指揮各艦繞擊日艦。這時，日旗艦“松島”已經癱瘓，“吉野”也喪失了戰鬥力，其餘日艦也都傷亡慘重，不能再戰，又見北洋艦隊重新集隊，伊東祐亨便于17時40分左右下令撤出戰場。北洋艦隊稍事追擊，也收隊傳回旅順。曆時5個多小時的黃海海戰到此結束。 黃海海戰曆時5個多小時，其規模之大，時間之長，為近代世界海戰史上所罕見。
海戰的結果是北洋艦隊損失“緻遠”、“經遠”、“超勇”、“揚威”、“廣甲” (“廣甲”逃離戰場後觸礁，幾天後被自毀)5艘軍艦，死傷官兵千餘人；日本艦隊 “松島”、“吉野”、“比睿”、“赤城”、“西京丸”5艦受重傷，死傷官兵600餘人。北洋艦隊的損失大于日方。黃海海戰以後，由于北洋艦隊嗣後不敢再戰，日本基本上掌握了黃海制海權，對後來中日戰争的程序産生了重大影響。
從這個意義上說，北洋艦隊在黃海海戰中是失利了。失利的原因一是北洋艦隊指揮失誤，排出的陣形不利于進攻，發揮不了己方艦隊在艦艇數量、大口徑火炮和防護能力等方面的優勢，開戰不久即失去統一指揮，始終處在被動地位；二是“濟遠”率先逃跑，影響了鬥志；三是彈藥不充足。日方則充分利用其航速、中小口徑速射火炮方面的優勢，運用靈活的戰術，掌握了戰場主動權。但是，中國廣大愛國官兵是英勇頑強的。他們在慘烈的戰鬥中，奮不顧身，臨危不懼，表現了中華民族不畏強暴、敢于和敵人血戰到底的英雄氣慨。他們的愛國主義精神值得後人永遠記取。