清朝参加黄海海战的军舰有定远号、镇远号、靖远号、来远号、经远号、济远号、广甲号以及超勇、杨威二炮舰。日军军舰的数量比北洋水师多，共计12艘。就航速而言，北洋水师处于下风，它们平均航速为每小时15.5海里，最快的靖远号和致远号也只有18节；而日军军舰的平均航速则为19.4海里，最快的吉野号高达22.5节。此外，日军参战军舰共装备着的97门各种口径的速射炮，北洋水师则因为经费短缺，未安装一门速射炮。航速和火炮射速落后于敌，这就意味着日军可以采用高度机动的作战方式来抵消北洋海军的装甲优势。事实上，日军在开战后也的确是这样做的。
海战开始后，日军的头号杀手吉野号及高千穗号、秋津洲号、浪速号以整体18节的航速一起运动，向北洋海军右后翼的超勇和扬威发起冲锋。这两艘军舰于1881年下水，是同一型号的姊妹舰。因舰龄高达13年且常年不得彻底维修，使两炮艇本就孱弱的战斗力更加不堪。据参战洋员马吉芬回忆：扬威和超勇“舰中隔壁，俱为木造”。在平时的维修保养中，舰身上原有的旧漆从未刮掉，只是一层又一层地往上涂新漆。时间一久，油漆层越积越厚。后来，随着海军经费的日渐短缺，为了节省银两，清军每次使用油漆时都要加入廉价火油调和，这无疑使二炮舰成了一击即燃的危险品。
也许，正是看中了北洋水师的这个致命缺点，日本因此才在战前投入巨额军费来研究一种被称为“下濑爆药”的炮弹。此火药爆速达7800米/秒，产生的化学反应高温在3000度以上且像酒精一样难以扑灭。好在这种火药研究出来时北洋水师早已覆灭，否则清军将会遭受无法估量的伤亡。即使如此，在四艘日舰的连续炮轰下，超勇和扬威因此而造成的熊熊大火也令人触目惊心。史载扬威号舰身中弹后立即烈焰升腾，并开始下沉。管带林履中见海水淹没甲板主炮只好下令撤出战斗，后在半路上搁浅，被仓皇奔逃的济远号撞沉。超勇号呢？虽然舰上受创亦重，但舰上官兵在管带黄建勋的指挥下仍然用舰首主炮创伤了吉野等舰。这时北洋水师总体未落下风，但当日军的另一队军舰袭来并冲散了北洋舰队，行动不便的超勇号最终被日舰击沉。
这股逼近北洋水师本队的是日本联合舰队的主力，由松岛号、千代田号、岩岛号、桥立号、比睿号、扶桑号、西京丸号、赤诚号等舰组成。它们以“一”字阵边施放火炮边从北洋水师本队前掠过，而北洋水师则采用“人”形阵迎敌。在双方的对轰过程中，定远舰首先中弹，舰上悬挂信号旗的设施被击毁，站在舰桥上指挥作战的丁汝昌亦被炸弹掀起的冲击波所伤。自此，北洋水师失去了统一的指挥，开始各自为战。这时，航速较快的松岛号、千代田号、岩岛号、桥立号、扶桑号已脱离了北洋水师正面炮火射程，而航速较慢的比睿号、赤诚号、西京丸号则落在了后方。整体上看，日军舰队已被北洋水师一切为二。于是，趁此有利战机，北洋水师各舰开始向敌发动了猛攻。
比睿号被打得走投无路，竟闯入北洋海军阵中，又陷入了定远、靖远、广甲、济远等舰的重围。待到突出重围，它已经彻底丧失了战斗力，只能退出战斗。继比睿号遭到北洋舰队打击的是赤诚号，其舰长以及代理舰长相继被炮火击毙，军舰甲板设施几被摧毁殆尽。若不是吉野号赶来救援，此舰必被击沉。跟在赤城号后面的是西京丸号，舰上有前来观战的日本海军军令部长桦山资纪。它见比睿号和赤诚号连遭厄运，便企图离开战场。却不想正撞上了前来增援的平远号、广丙号以及鱼雷艇福龙号和左一号。炮弹击毁了西京丸的蒸汽管，顿使西京丸动力丧失，仅能凭人力舵勉强航行。不久，连发两发鱼雷的福龙号再对西京丸射发第三发鱼雷。谁知这颗鱼雷入水太深，竟从西京丸船底潜出。到了下午2时40分，西京丸终于逃出了战场。
也就在西京丸左支右绌欲摆脱重围的当口，海战的大形势开始对北洋水师不利。日舰吉野号等四艘杀手舰重创扬威和超勇后又驶回了北洋海军本队阵前，而日舰主力松岛号等五艘战舰则驶到了北洋海军本队之后。依靠航速快的优势，吉野等四舰或绕行、或聚集、或分散，在躲避北洋水师巨炮的同时，以速射炮之优势竭尽全力轰击北洋水师各舰；作为策应，松岛号等五艘日舰则趁虚袭扰，使北洋舰队各舰首尾难顾。在前后受敌的情况下，北洋海军阵脚大乱，除了定远、镇远两舰尚可保持互相支援的战斗队形外，其余各舰只能各自为战，前文所述的超勇号即是在这时被击沉。当时，超勇号管带黄建勋本有机会逃生，却拒绝接受援救，最终跳入黄海，以身殉舰。
继超勇号之后，北洋水师第二艘沉没的军舰是致远号。它的管带邓世昌见定远号被群狼围攻，正处于岌岌可危之境，便毅然驶出本队为之掩护。激战中，致远号舰身多处中弹，舰身已经开始倾斜，弹药业已用尽。看到吉野号仗着航速快、速射炮多的优势四处逞凶，邓世昌毅然决定撞向吉野，要与之同归于尽。可惜就在致远号快要撞上吉野时，却被一条鱼雷击中舰身并引起锅炉爆炸。下午3时30分，致远号沉没，管带邓世昌、大副陈金揆、二副周居阶以下250余名官兵除27人获救外，全部壮烈殉国。
致远号之后，先前搁浅的扬威号也沉没了。造成扬威号沉没的不是日舰的轰击、而是来自友舰济远的撞击。因为在致远号沉没后，济远舰管带方伯谦害怕日舰集中炮火轰击己舰，遂抛弃友舰逃离战场。在日舰的追逐下，济远舰慌不择路，正撞上搁浅的扬威号。和超勇号管带黄建勋一样，扬威号管带林履中也有机会逃生，但他最终也选择了以身殉舰，沉入了波涛汹涌的黄海。济远号逃阵后，广甲号也随之潜逃。因慌不择路，广甲号撞上了暗礁，管带吴敬荣弃舰而逃，后此舰被日军击沉。
随着超勇、扬威、致远、济远、广甲等主力舰或沉没、或逃阵，北洋水师的处境开始极端困难。仿照之前的攻击策略，日舰又开始了新一轮的围攻。这次，它们把目标对准了经远舰。还是吉野等四艘杀手舰出马，它们集中所有炮火对准经远号就是一阵劈头盖脸的轰击，正在前沿指挥作战的管带林永升及大副陈荣和二副陈家莹当场阵亡。烈火冲天，经远舰上的水手在无人指挥的情况下，仍然坚持岗位，继续向日舰还击，直到最后沉没。
下午4时，黄海海面上只剩下了定远和镇远两舰。来远和靖远因在之前的激战受创严重，此时正在大鹿岛附近修补，吉野号等四艘日舰紧随而去。于是，黄海海战的主战场只剩下了定远、镇远两舰以及日本联合舰队的五艘主力舰。由于定远、镇远装甲厚、吨位大、主炮口径大，极有利于防御。拼杀多时，日舰狂飞的炮弹也未打穿两舰的舰身，反而是松岛号被两舰打得舰体损伤严重，完全失去了作战能力。这时，靖远、来远已修竣归队，平远号、广丙号和福龙、左一两鱼雷艇也随之前来。更让北洋水师官兵欣喜的是，在大东沟港内的镇中号和镇南号两艘炮舰以及左二、左三两只鱼雷艇也前来会合，北洋海军军威重振。考虑到剩下的四艘日舰非定远、镇远所敌，吉野等拳头部队受创严重，日本联合舰队司令官伊东祐亨忙下令各舰开足马力退阵。北洋水师追之不及，只好整队驶回旅顺港。至此，历时4时40分的中日黄海海战乃告结束。
这场海战，北洋舰队损失了五艘主力舰以及邓世昌、林永升、黄建勋、林履中等数名优秀的管带，看起来损失较大。实际上，定远号和镇远号这两艘巨舰犹在，其他各舰亦可再接一战。而日本联合舰队呢？虽然吹嘘大胜，但他们的日子也不好过。旗舰松岛号受损严重，进坞大修了几个月还未完工；其赖以逞凶的吉野号情况也不乐观。甲板上的所有设备几乎被炮火全部摧毁，已丧失了战斗力。可以说，中日双方在黄海海战基本上不分胜负。但有一点不能忘记，清朝并未建立起自己的国防工业。故而，即使丁汝昌带伤日夜督修伤舰，也只能修复力所能及的问题，解决不了主要配件缺失和炮弹不足的困难。诚如丁汝昌给李鸿章的报告中所言，“时下各舰备炮破损三分之一，修复之件尚未到达。平远舰舵向运动不便也无榴弹炮弹，广丙舰炮舰所剩仅60余发。”反观日本，战前就能用本国搭建的工业体系造舰、造炮，军舰的修理和保养不需假手于洋人。因此，李鸿章最终接受了德国顾问汉纳根的建议，采用凭借海防御敌保船的策略。后来，任凭日军如何挑战，北洋水师始终拒不出港，直至全军覆没，给世人留下了一个懦弱怯战的骂名。
124年后，专家在对经远舰进行考古挖掘时，发现了74颗毛瑟步枪子弹。需知，近代海战以远程火炮对射为主，步枪作为近战武器的几无用武之地。发现步枪子弹弹壳，这就说明中日双方的军舰曾发生过近距离的接触。在这种情况下，利用步枪对敌方甲板上的水兵进行杀伤往往会成为行之有效的攻击手段。在前文所述经远舰鏖战的那段，战史也记载过，经远舰曾发起过类似致远舰一样的决死冲锋，可惜在距离敌舰2000米时遭到了优势敌舰的炮火猛轰而沉没黄海。因此，这74颗子弹弹壳足可证明北洋水师的多数官兵均是逢敌敢亮剑的护国勇士，只不过清政府的腐败无能束缚了他们的发挥。