第一阶段
自午后12时50分至14时许，为黄海海战的第一阶段。
1894年9月15日，北洋水师主力在丁汝昌率领下到达大连湾，护送陆军刘盛休部12营6000余人搭乘的“新裕”“图南”“镇东”“利运”“海定”5艘运兵船。
当双方舰队进至相距约三千米时，日本第一游击队四舰，一面以猛烈炮火射击，一面加快速度，横越北洋舰队阵前，左转舵，改道飞驰，绕攻北洋舰队右翼之超勇、扬威二弱舰。超勇、扬威均为1881年(光绪七年)下水的陈旧兵舰，舰龄已达十三年。且“舰中隔壁，俱为木造，施以油漆，粉饰外观”。实际上，老朽陈旧，速度迟缓，炮火不济，防御力极弱。二舰虽竭力抵抗，但在敌人四艘快速巡洋舰的一舷齐射的优势火力攻击下，终于中弹起火。同时，日舰发射的第一批排炮，将北洋舰队旗舰定远望台击毁。正在望台上督战的提督丁汝昌“右边头西以及颈项皆被烧伤”，不能指挥战事。接着，日舰排炮又将帅旗打落，信号索具也被摧毁。信旗无由发出，舰队失去指挥和联络。
但是，当日本第一游击队绕过北洋舰队阵前，环攻右翼超勇、扬威时，其本队六舰恰好驶至北洋舰队犄角雁行阵人字形的前方。北洋舰队各舰舰首恰恰指向敌舰船腹。于是，北洋舰队各舰以舰首主炮猛烈轰击敌本队六舰。比睿、扶桑、西京丸号、赤城等后续诸舰，因速度迟缓，落于后方，被北洋舰队“人”字形阵尖将日本本队六舰组成之单纵阵拦腰截断，分割为二，这时，定远、镇远及右翼各舰发右舷炮火猛轰敌舰松岛、千代田、严岛、桥立；左翼之致远、靖远等舰则发左舷炮火截击比睿、赤城等后续各舰。在北洋舰队的猛烈炮火轰击下，比睿、赤城等“不能航行，终成孤军”，遭到北洋舰队的痛击。比睿被打得走投无路，冒险闯入北洋舰队阵中，企图“在离定远和靖远之间五百米的间隙中穿过”。取捷径与本队会合。
结果陷入定远、镇远、广甲、济远等舰的包围之中，“受到四面猛烈轰击，以至舰体、帆樯、索具几无完肤。悬挂在樯头的军旗亦被击碎”。接着，又被定远三十公分半巨炮击中右舷。炮弹在后樯中爆炸，破坏下甲板，引起大火。自三宅大军医以下官兵“十数人被击成碎粉而死”。“海军大尉高岛万太郎、海军少尉田中行尚，同小川水路及士卒三十二人负伤”。北洋舰队各舰又“以水准射击迎之，顷刻之间该舰后部舱面已起火灾，喷出浓烟，甚高甚烈”。在熊熊烈火中狼狈逃出重围。
比睿逃出包围后，北洋舰队左翼各舰又以八百米的近距离猛轰赤城。击毙少尉候补生桥口户次郎，打伤海军大尉佐佐木广胜。1时25分，北洋舰队旗舰定远后部十五公分克虏伯炮，再次击中赤城舰桥右侧速射炮炮楯，打死炮手二名。“弹片打穿正在观看海图之板元舰长头部。鲜血及脑浆溅在海图台上，染红了罗盘针”，当时毙命。
不久，赤城又被来远击中一炮，打伤临时代理舰长的航海长佐藤铁太郎(坂元死，佐藤任代理舰长)。前部下甲板亦被击坏。“火药库防火队员、唧筒炮员、捕索员等死伤甚多，蒸汽管亦破裂”。接着数弹飞来，又将大樯轰倒。前后总共被打死十一人，打伤二十人。舰上军官几乎全被击毙。
除比睿、赤城外，其他舰只在北洋舰队的猛烈炮火射击下，也受到严重损失。1时8分，吉野中炮，“打死海军少尉浅尾重行及水兵一名，伤九名并引起火灾”。同一时间，浪速中弹，右舷“一号炮台下水线部被打穿，海水翻腾，浸入甲板”。1时9分，高千穗右舷后部水线处中弹，打死打伤士兵二名。与此同时，秋津洲被二十一公分炮弹击中，“打死海军大尉永田廉平以下五人，打伤九人”。1时14分，定远所发炮弹，打穿西京丸上甲板，军官室及附近房间被破坏。
从上述战况可以看出，海战第一阶段的基本形势是：北洋舰队以两铁甲居中成犄角雁行阵应敌，列弱舰于右翼，遭受日本第一游击队的围攻而蒙受损失。日本舰队抛弱舰于后的鱼贯纵阵，受到北洋舰队主力舰的截击而遭沉重打击。双方都在以己之长，攻敌之短，争取战争的主动权。攻击的目标是敌方的弱舰。在此阶段，虽互有损伤，胜负末见，但北洋舰队仍“维持鳞次阵形，保持舰与舰间隔距离，以六浬速力整然航驶”。而日舰本队的鱼贯纵阵则已被打乱。海战第一阶段，北洋舰队占上风，日本舰队处境不利。
第二阶段
自午后14时至15时30分为海战第二阶段。
当日舰比睿逃出北洋舰队包围，抄近路追及本队时，因舰上余烬末熄，火灾再起。大火燃及弹药房，十分危急。比睿挂出“本舰火灾，退出战列”信号，离队向西南方逃去。赤城见状，急往营救。北洋舰队来远等数舰见比睿逃走，立即鼓轮奋勇追击。当距比睿三百米左右，比睿发炮击中来远甲板，引起火灾。其他各舰减速至来远周围施救。比睿、赤城乘机猛逃，距离逐渐拉长至八、九百米。此时，在附近行驶的西京丸见状大惊，急忙发出“比睿、赤城危险”信号，召唤其他日舰前来救援。
这时(2时5分)，第一游击队已通过北洋舰队右翼，正拟转入北洋舰队背后，伊东祐亨急忙发出信号，命令第一游击队回救比睿、赤城。第一游击队奉召立即向左转舵回驶，以高速向比睿、赤城与北洋舰队之间运动，用左舷炮火射击，且击且进。赤城、比睿得救，乘机逃离战场。
此时，原停在大东沟口外的平远号防御铁甲舰、广丙及鱼雷艇，应召前来助战。驶到北洋舰队右翼后方，适与日本本队相遇，各舰立即向日舰发起攻击。2时34分，“平远发射二十六公分炮弹一发，命中松岛左舷军官室，贯穿鱼雷用具室。打死左舷鱼雷发射员四名”。3时10分又中一炮，炮弹“打穿左舷中央鱼雷室上部，在大樯下部爆炸。打死左舷鱼雷发射员二名”。3时15分，严岛又被平远击中两炮。但同时平远亦被日舰击中起火，退出战场。这时，日舰本队已驶过北洋舰队右翼，继续向右转舵，绕至北洋舰队背后，恰好与第一游击队形成对北洋舰队夹击之势。于是，日本舰队处境开始转向上风，北洋舰队因被包围，处于内线作战，腹背受敌，转趋不利地位。
北洋舰队虽腹背受敌，形势不利，但广大官兵毫不畏缩气馁，反而“愈战愈奋，始终不懈”。提督丁汝昌身受重伤，不下火线，置个人生命安危于不顾，裹伤后，坐于甲板上鼓舞士气，“激励将士，同心效命”。右翼总兵定远管带刘步蟾于丁汝昌负伤后，“代为督战，指挥进退”，尤为出力。广大士兵顽强奋战，不怕牺牲的爱国主义精神更为感人。就连亲身参加海战的定远副管驾英人泰莱也承认：“众士兵均狞厉振奋，毫无恐惧之态。当予巡视时，一兵负重伤，同侣嘱其入内修养；及予重至此炮座，见彼虽已残废，仍裹创工作如常。超勇、扬威虽被日本第一游击队击中起火，但并未停止战斗。官兵们一面救火，一面抗击。”特别是超勇舰体虽已左右倾斜，然犹以前部炮火发射不停。
当比睿冒险闯入北洋舰队阵中，企图抄近路与本队会合时，适与超勇相遇。超勇在烈焰升腾中也不肯放过敌舰。一面救火，一面向比睿发炮轰击，表现了同敌人血战到底的英雄气概。之后，敌舰本队绕至北洋舰队阵后，聚攻超勇。超勇孤立无援，2时23分，终于在敌舰炮火丛集下，于东经123度32分1秒，北纬39度35分海面沉没。管带黄建勋落水，“左一”鱼雷艇驶近相救，抛长绳援之，黄不就，从容死难，舰上士兵也大部壮烈牺牲。
致远号官兵奋勇杀敌，视死如归的英雄气概，尤为可钦可佩，可歌可泣。在管带邓世昌指挥下，致远号纵横海上，与敌奋战，中弹累累，受伤欹侧。在激烈的战斗中，炮弹垂尽。这时，恰与日舰吉野相遇。邓世昌见吉野恃其船捷炮利，横行无忌，气愤地对大副陈金揆说：“倭舰专恃吉野，苟沉是船，则我军可以集事。企图冲击敌阵发动冲角战术及鱼雷攻击。
保全军之胜利。陈金揆深为感奋，遂鼓快车向吉野猛力冲突。日本官兵见状大惊失色，集中炮火向“致远”射击，“致远”舰右侧鱼雷发射管被击中，引起大爆炸，3时30分，以右舷倾斜，在东经123度34分，北纬39度32分的黄海海面上沉没。全舰官兵除七名遇救外，全部壮烈殉国。（此说法目前最接近事实，致远舰冲向吉野号，有可能就是为了使用鱼雷攻击，虽然北洋舰队战前已将鱼雷抛入海中，但据说邓世昌为了有更多武器攻敌，所以没有执行此操作。此外还有两种说法，一种是致远舰被吉野舰发射鱼雷击沉，但由于战前日舰已将鱼雷抛入海，所以此说法存在疑点。另一种是致远舰水线附近被日舰大口径火炮击穿进水沉没。）
邓世昌坠海后，随从刘忠跳入海中以救生圈援救，使之浮出水面。邓世昌以“阖船俱没，义不独生”，仍复奋掷自沉。邓世昌平时蓄一爱犬，游至身边，以口衔世昌臂，使之不沉。世昌挥之不去，并以口衔其发辫。邓世昌抱决与全舰将士同生死、共存亡的决心捺犬首于水，自己也沉没于汹涌的波涛之中，牺牲时年仅四十五岁。
致远沉落后，在致远附近的济远见状立即逃离战场，途中误撞扬威。“扬威先已搁浅，不能转动，济远撞之，裂一大穴，水渐汩汩而入”。不久在东经123度40分9秒，北纬39度39分3秒的黄海海面上沉没。管带林履中愤而蹈海死。舰上官兵除被左一鱼雷艇救出六十五人外，均壮烈牺牲。海战后不久，军机处电寄李鸿章谕旨：“本月十八日开战时，自致远冲锋击沉后，济远管带副将方伯谦首先逃走，致将船伍牵乱，实属临阵退缩，著即行”。9月29日凌晨5时，方伯谦在旅顺黄金山下大船坞西面的刑场上被斩首。
广甲与济远编为一队，广甲管带吴敬荣见济远撤退，以为有例可援，随之逃跑。，因惧敌舰追及，慌不择路，逃至大连湾三山岛外触礁搁浅。吴敬荣率众纵火弃舰，登岸逃命。海战后第二天，北洋舰队派济远拟将广甲拖回港内，猛拖不起，此时数艘日舰至，济远急退回大连湾，广甲被日舰发炮击碎。
日本第一游击队见济远、广甲撤走，曾奋力追击。但因相距太远，追之不及，遂折回集中火力围攻位于北洋舰队右翼阵脚之经远。“先以鱼雷，继以丛弹”。经远中弹起火。管带林永升临危不俱，指挥全舰，奋勇抗御，“发炮以攻敌，激水以救火，依然井井有条”。以一抵四，拒战良久。突然，忽来敌炮，击中经远。林永升中炮，头裂牺牲。经远“火势愈烈，烟焰焦天，俄尔舰体逐渐向左舷倾斜”。不久，“左舷舰首向水中沉下”。在舰体己下沉的危急关头，经远官兵仍继续沉着应战，一直坚持到最后。4时40分，终于在东经123度40分7秒，北纬39度51分海面上，舰首向东，左舷倾覆，最后在庄河黑岛南老人石海礁附近沉没。全舰除16人获救外，近200人殉国。
在海战第二阶段，北洋舰队的超勇、扬威、致远、经远先后沉没，济远、广甲相继遁逃，共失去六舰，战斗力大减。由于致远、经远、济远等主要舰只的损失和遁逃，北洋舰队已无力主动向敌人进攻，不得不由第一阶段的进攻转为防御，由优势变为劣势。处境不利。日本方面虽然比睿、赤城、西京丸三舰有的退出有的失去战斗力，但这三舰均系弱舰，下仅对舰队战斗力影响不大，反而由于三弱舰退出战场，使日本舰队无需再分散力量保护弱舰。实际上是减轻了负担，得以轻装上阵。这样，日本由第一阶段的劣势转为优势，战局的发展变得对日本有利。
最后阶段
自午后15时至17时30分为黄海海战的最后阶段。
由于北洋舰队先后失去六舰，因而在最后阶段的海战战场上，坚持战斗的只有定远、镇远、来远、靖远四舰。日本则尚有吉野、高千穗、秋津洲；浪速、松岛、千代田、严岛、桥立、扶桑等九舰。双方军舰数量对比为四比九；吨数对比为一万九千八百七十吨比三万三千八百三十四吨。日本舰队力量超过北洋舰队一倍以上。北洋舰队处境十分因难。但是，定远、镇远等四舰全体爱国官兵，面对优势敌人，毫无惧色。他们坚持战斗，力挽危局，誓与敌人血战到底。
定远、镇远虽被敌舰五艘团团包围，并无惧色，它们“誓死抵御，不稍退避”。定远舰管带刘步蟾表现尤为出色，“作战果敢，指挥灵活。行船时刻变换，敌炮不能取准”。镇远管带林泰曾、大副杨用霖指挥镇远舰“奋击突进，操纵自在”，始终与定远保持着互相依恃的犄角骈列阵形，与敌军五舰周旋，在林泰曾、杨用霖指挥下，镇远“开炮极为灵捷，标下各弁兵亦皆恪遵号令，虽日弹所至，火势东奔西窜，而施救得力，一一熄灭”。在艰苦的战斗中，涌现出许多英雄人物和感人事迹。据在镇远参加战斗的洋员美国人马吉芬记载：镇远“十二吋巨炮炮手某，正于瞄准之际，忽来敌弹一发，炮手头颅，逐为之掠夺爆碎，头骨片片飞扬，波及附近炮员，而(其他)炮手等毫无惊惧，即将炮手尸体移开，另以一人处补照准，赓续射击。镇远炮术长幼弟某，来舰访兄，因战机迫切，未即离舰，遂应兄劝，配备于露炮塔上服务，热心勇猛，毫无惧色。
战斗中，炮术长身负重伤，扶入舱中，弟向乃兄略事安慰，仍归原处服务。是役，该炮塔人员，除乃弟外，无不伤亡”。就这样，定远、镇远在敌强我弱的极困难条件下，继续“与倭各舰相搏，历一时许，巨炮均经受伤。定远只有三炮，镇远只有两炮，尚能施放”。同时“火焚数次”，但广大爱国官兵一面救火，一面抵敌，始终不懈。
北洋舰队方面，此时“靖远、来远修竣归队，平远、广丙、鱼雷各艇亦俱折回”。靖远号管带叶祖珪，帮带刘冠雄知定远桅楼被毁，无从指挥，遂主动代替旗舰定远升旗集队。诸舰毕集，军威重振。集合后定、镇、靖、来、平、丙六舰相距各八、九米，鱼贯东行尾追敌舰十余里，准备与敌再战。但时已日夕，暮色苍茫。日本舰队惧怕定远、镇远诸舰会合鱼雷艇进行袭击，不敢再战。开足马力“向西南一带飞驶遁去”，瞬息已远。北洋舰队也收队驶回旅顺。至此，历时五小时的激烈海战，宣告结束。