一、豐島海戰以後雙方艦隊的行動
豐島海戰以前，日本政府「預料陸戰可操勝券，但對海戰的勝敗如何尚抱疑慮」１。日艦豐島偷襲得逞，使日本海軍增強了戰勝中國海軍的信心，自那以後，聯合艦隊一直活動於朝鮮海域，一面掩護後續陸軍和軍械糧秣的海上運輸，一面聲援在朝日軍的陸路作戰。8月5日，聯合艦隊接到日本大本營關於搜索和擊破中國艦隊的命令，伊東祐亨隨即於8月7日率艦隊從隔音島出發，駛往黃海西部海面，甚至闖到威海衛和旅順軍港，進行搜索和挑戰。
北洋艦隊方面，7月25日的豐島海戰只是稍有損失，對整個艦隊的戰鬥力並無多大影響。戰後第二天，李鴻章電令丁汝昌「即帶九船開往漢江洋面遊巡迎剿」。但同時又說：「惟須相機進退，能保全堅船為妥；仍盼速回。」２丁汝昌於7月27日率隊由威海衛出發，由於受李鴻章「保全堅船」指示的束縛，不敢前往漢江口，僅至大同江口外即返回威海衛基地，以「未遇倭兵商各輪」敷衍了事。中日宣戰的當天（8月1日），李鴻章又電告丁汝昌：「總署催汝統鐵、快各船往仁川附近……相機截擊」。但又繼續強調：「速去速回，保全堅船為要。」１於是，丁汝昌於出發前復電李鴻章，以無偵探快船、又少快炮等為由，言明不能去漢江口，只宜「遠巡大同冰洋，遇敵痛剿；近顧北洋門戶，往來稜查」。李鴻章當即轉告總理衙門，稱丁所言「似系老成之見」。２8月5日，清廷得知葉志超軍已經潰敗，預料日軍必將北攻平壤，於是令北洋艦隊專顧大同江口一帶海面的安全，以便由海路增援平壤。8月9日，丁汝昌第三次率隊出巡。第二天黎明，日艦二十餘艘突然出現於威海衛港外，遭到海岸各炮台的猛烈炮擊。當晚，日艦又竄至旅順口外，與城頭山炮台交相炮戰。清廷聞知威海、旅順一帶洋面有日艦活動，甚為驚駭，急令丁汝昌率北洋艦隊「速回北洋海面，跟蹤擊剿」３。8月23日，清廷進一步指示：「威海、大連灣、煙台、旅順等處，為北洋要隘，大沽門戶，海軍各艦應在此數處來往梭巡，嚴行扼守，不得遠離，勿令一船闌入」４。此後，北洋艦隊再未遠巡，不出北洋一步。這樣，日本海軍便完全控制了朝鮮仁川、大同江口等重要港口，佔領了從海路進攻中國的有利前進基地。
由於丁汝昌多次率隊出巡無功，受到朝野不少人的攻擊。8月26日，光緒帝下令將丁汝昌革職，但仍「戴罪自效」。李鴻章不得不上奏為丁汝昌辯護，同時乘機正式提出「保船制敵」的方針，進一步強調「海上交鋒，恐非勝算」，建議清廷放棄爭奪制海權。他認為，「今日海軍力量，以之攻人則不足，以之自守尚有餘」，因而主張北洋艦隊「不必定與拚擊，但令游弋渤海內外，作猛虎在山之勢」。１從此，北洋艦隊更加陷入了消極自保的被動局面。
二、海戰經過
9月上旬，清廷鑒於平壤將有大戰，擬派兵增援。為了及時到達前方，決定將駐防大連一帶的總兵劉盛休所部銘軍八營四千人由海道運至大東溝，然後轉由陸路赴朝。這樣，海軍掩護，責無旁貸。李鴻章乃令丁汝昌率艦隊護航。9月15 日上午，丁汝昌率領北洋艦隊主力抵達大連灣。其編成如下表：
9月16日2 時左右，銘軍搭乘招商局「新裕」、「圖南」等五艘輪船，在北洋艦隊的護衛下，由大連出發，午後抵大東溝。「平遠」、「廣丙」泊於港口，由「鎮南」、「鎮中」兩炮艇護送進港，「定遠」等十艦均泊於港外十二海里之大鹿島東南。銘軍四千人連夜上岸，安全到達目的地。不過，此時平壤已失，銘軍無法起到應援的作用。
日本聯合艦隊早想與北洋艦隊決一雌雄，當得知中國海軍將護送陸軍赴朝的消息後，便於9月14日午後由仁川港出發，15日到達大同江口。因不見有中國艦船，伊東祐亨命部分艦隻溯大同江支援第五師團進攻平壤，其餘艦隻暫泊於小乳纛角的東北。伊東祐亨判斷，北洋艦隊有可能護送陸軍往鴨綠江口一帶，於是不待全艦隊集中，立率軍艦十二艘，於16日下午出發，向黃海北部的海洋島方向航進，17日晨抵達該島附近。其戰鬥序列如下表：
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時，發現日本艦隊自西南駛來，丁汝昌隨即命令艦隊起錨迎戰。這時，雙方艦隊的力量對比如下表所示：
從上表可以看出，日本聯合艦隊噸位總數大，航速快，機動性好，火炮多，攻擊力較強；北洋艦隊擁有兩艘巨型裝甲戰列艦，重炮多，防護性能較好。
戰鬥之前，丁汝昌曾規定三條訓令：「1、艦型同一諸艦，須協同動作，互相援助；2、始終以艦首向敵，借保持其位置，而為基本戰術；3、諸艦務於可能範圍之內，隨同旗艦運動之。」１
北洋艦隊開始成「並列縱陣」（「定遠」、「鎮遠」兩艦居前），以每小時五海里的速度向西南方向航進。各艦愛國官兵，「皆同仇敵愾，凝視敵隊，自負決心，勇氣百倍」２。日艦則以第一遊擊隊「吉野」、「高千穗」、「秋津洲」、「浪速」四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，又將武裝商船「西京丸」及小炮艦「赤城」移至本隊的左側（非戰鬥一面）。丁汝昌、劉步蟾及總查德國人漢納根等在「定遠」艦前方的飛橋上，見日艦成「單行魚貫陣」（單縱隊）撲來，決定採取以主艦居中的「夾縫雁行陣」（交錯配置的雙橫隊）應戰１。由於陣形尚未完全組成，旗艦即以每小時八海里的速度前進，「濟遠」、「廣甲」、「超勇」、「揚威」等後續艦斜行追趕不及，以致形成半月形而類似「後翼梯陣」（又叫「燕剪陣」）。因此，日方認為，北洋艦隊當時所列隊形「似為不規則之單橫陣，又似後翼梯陣，而『定遠』、『鎮遠』居中……」２。
日艦第一遊擊隊開始指向北洋艦隊的中央，約距離一萬二千米時，稍向左變換航向，然後又按原方向前進，準備首先進攻北洋艦隊的右翼。本隊也取大致相同的航向繼進。
17日12時50分，雙方艦隊相距約五千七八百米，「定遠」首先發主炮攻擊，其餘各艦亦相繼開炮。彈丸落於日艦第一遊擊隊近旁，但均未命中目標。當時正值微弱東風，硝煙瀰漫於北洋艦隊之前，日艦趁機以每小時十四海里的速度向前急駛。當前出到離北洋艦隊右翼約三千米時，日第一遊擊隊四艦陸續以其右舷速射炮猛轟「揚威」、「超勇」。13時5分，彼此僅距一千六百米，日艦以低彈道向「超勇」、「揚威」實施抵近射擊，二艦相繼起火，退出戰鬥。日艦「吉野」也中彈起火，但很快被撲滅。約13時30分，「超勇」沉沒。這時，「平遠」、「廣丙」和兩艘魚雷艇已趕到，但因火力均不強，未能改善右翼態勢。
當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炮擊。北洋艦隊雖然陣形已被打亂，但各艦隨時變換方向，力求使艦首對敵，以充分發揮主炮威力。「『定遠』猛發右炮攻倭大隊各船，又發左炮攻倭尾隊三船」１。日艦「比睿」、「赤城」因速度遲緩掉隊，正好被北洋艦隊所截擊。13時10分，「比睿」突然改變航向，向右急轉舵，冒死從「定遠」、「來遠」之間竄逃（距「定遠」約一千米，距「來遠」約四百米）。「定遠」、「來遠」以及「經遠」等艦乘機予以夾擊，重創「比睿」，迫使其向左轉舵，逃出包圍圈，追趕本隊。「赤城」企圖營救「比睿」，受到「來遠」等艦的猛烈炮擊，其艦長阪元八郎太等多人當場斃命。「西京丸」也受重傷，「舵已轟斷，舟中觀戰之大吏（按：即海軍軍令部長樺山資紀）幾被華軍連船擒去」，「後遁至濟物浦（仁川），丸中人如已赴法場重邀恩赦者然」。２
日艦第一遊擊隊掠過北洋艦隊右翼以後，又向左作一百八十度回航，企圖利用其速度快、便於機動的優點，配合本隊作戰。但本隊旗艦「松島」發信號令其歸隊，便又向左作一百八十度回航。於是，北洋艦隊主力艦隻對準第一遊擊隊右側後方，猛烈炮擊。14時15分，第一遊擊隊剛剛追上本隊最後一艦「扶桑」，又見「西京丸」發出「『比睿』、『赤城』危險」的信號，只得再次向左作一百八十度回航。與此同時，本隊已繞至北洋艦隊的背後，與第一遊擊隊形成夾擊之勢。這樣，北洋艦隊便陷入了腹背受敵的不利境地，隊形更加混亂。
戰鬥過程中，丁汝昌身負重傷，仍然堅持在「定遠」甲板上鼓勵士兵作戰。右翼總兵「定遠」艦管帶劉步蟾代替丁汝昌督戰，沉著指揮。北洋艦隊大部分官兵都能英勇戰鬥，奮不顧身。「致遠」管帶鄧世昌是他們中的傑出代表。「致遠」艦多處受創，船身傾斜，彈藥將荊鄧世昌見日艦「吉野」十分猖狂，毅然下令開足馬力，準備用沖角撞擊「吉野」，與敵同歸於荊「吉野」慌忙規避，並發射魚雷。「致遠」不幸重傷，鍋爐爆炸。約15時30分，「致遠」沉沒，鄧世昌等二百五十名官兵壯烈犧牲。「經遠」也中彈起火，管帶林永升浴血抗戰，不幸中彈陣亡。
「致遠」沉沒後，「濟遠」管帶方伯謙和「廣甲」管帶吳敬榮，貪生怕死，臨陣脫逃。日第一遊擊隊尾追不及，又折回猛攻已受重傷的「經遠」。約17時左右，「經遠」沉沒，全艦二百七十名官兵除十六人獲救外，余皆殉難。「廣甲」倉皇逃跑時，「避大洋，傍岸行」，以致在大連灣的三山島外擱淺（23 日，遇日艦「秋津洲」、「浪速」巡航，便自行炸沉）。
「靖遠」、「來遠」因中彈過多，力不能支，退出戰鬥，避至大鹿島附近緊急修補損壞的機器。「平遠」、「廣丙」及「福龍」雷艇也因尾追單獨逃跑的「西京丸」，而為敵第一遊擊隊所斷，未及歸隊。
在「致遠」、「經遠」等艦同第一遊擊隊激戰的同時，「定遠」、「鎮遠」兩艦正同聯合艦隊本隊進行著艱苦的鏖戰。一小時後，「定遠」只有三門炮、「鎮遠」只有兩門炮尚能發射。兩艦以寡敵眾，始終保持相互依恃的距離。雖中彈甚多，幾次起火，全體官兵仍然堅持奮戰，一面救火，一面拚死抵抗，並重創敵旗艦「松島」。日方承認：「（午後）三點三十分，『鎮遠』所發的三十公分半巨彈兩門，命中了我旗艦『松島』下甲板炮台的第四號炮，放在近旁的十二公分炮的裝藥因此爆發，霹靂一聲，船舳傾斜了五度，冒上白煙，四顧黯澹，炮台指揮官海軍大尉志摩清直以下，死傷達一百餘人，死屍山積，血流滿船，而且火災大作，更加困難。」１由於無法繼續指揮，伊東祐亨不得不下令各艦自由行動。
不久，「靖遠」、「來遠」搶修完畢，重新投入戰鬥。「靖遠」幫帶大副劉冠雄知「定遠」艦號旗桅桿斷裂，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，並調出泊於港內的「鎮南」、「鎮中」等前來助戰。於是，「平遠」、「廣丙」及各魚雷艇也都折回。這時，日旗艦「松島」已經癱瘓，「吉野」只剩下一具軀殼，失去戰鬥力，其餘日艦也傷亡慘重，不能再戰，又見北洋艦隊重新集隊，伊東祐亨便於17時40分左右下令各艦向東南方向遁逃。北洋艦隊稍事追擊，由於時已日暮，加之炮彈告竭，於是收隊返回旅順。
這次海戰，歷時五個多小時，其規模之大，時間之長，為近代世界海戰史上所罕見。戰鬥中，日海軍「松島」、「吉野」、「比睿」、「赤城」、「西京丸」五艦受重傷，共死傷約六百人。北洋艦隊「致遠」、「經遠」、「揚威」、「超勇」被擊沉，「廣甲」自毀，「來遠」等艦重傷，共傷亡近千人。
黃海海戰，北洋艦隊的損失雖然大於日方，但亦給日艦以重創，並迫使其率先逃跑。因此，當時中外輿論對於誰是這次海戰的勝利者，眾說紛紓從客觀效果看，經過黃海海戰，日本聯合艦隊雖未能達成「聚殲」北洋海軍的目的，但由於北洋艦隊嗣後不敢再戰，日軍基本上掌握了黃海制海權，為下一步實施花園口（今旅大市莊河西南九十里）登陸進攻遼東半島創造了條件，對整個甲午戰爭的進程產生了重大影響。
李鴻章視北洋海軍為私人資本，他不願「以北洋一隅之力，搏倭人全國之師」，自然更不願意以北洋艦隊與日本聯合艦隊喋血一戰，因而一再強調，「海軍快船快炮太少，僅足守口，實難縱令海戰」１，主張將黃海制海權拱手讓與日本。這就不難看出，李鴻章提出的「保船制敵」方針，並非著眼於「制敵」，而是在於「保船」，其實質是避戰自保。李鴻章先則不准丁汝昌率艦隊護航增援牙山之清軍，致有豐島之敗、「高昇」之沉，助長了日本聯合艦隊的囂張氣焰；繼則多次阻撓北洋艦隊出海巡航，使日艦得以在漢江口至旅順、威海衛之間的廣闊洋面自由往來，而無後顧之憂。漢納根曾指出：當時「已有責北洋海軍之不出者，不知此不能為海軍咎，且亦不能為丁汝昌咎也，有鉗制海軍者（如飭令毋得失船之類），丁汝昌不能專主也。」１此語頗為切中要害。所以，清政府的腐敗怯懦，李鴻章的消極防禦與避戰自保方針，實為海戰失利的根本原因。當然，除了戰略指導上的錯誤以外，還與其它因素特別是作戰指揮和戰術運用等有關。
丁汝昌以陸將任海軍提督，指揮海上作戰，自難得心應手。由於缺乏海戰經驗，因而不善於根據敵我艦船的戰術技術特點，採取避敵之長、擊敵之短的靈活戰法。黃海海戰開始時，北洋艦隊以夾縫雁行陣對付敵人的單縱陣，這種戰鬥隊形諸多不利，如最難維持陣形，不便行動自由，不易發揮全艦隊炮火之威力等等，因而頗遭後人責難。當然，黃海海戰中丁汝昌等決定採用橫陣應戰也不是沒有原因的。《晨園漫錄》指出：由於北洋艦隊各艦購置較早，其裝備「大抵專注重艦首之重炮，而於兩舷側之速射炮則不甚加意，……其後速射炮日益發達，我各艦仍然依舊，未曾加以改造」，為了充分發揮重炮的優勢，「自以布成橫陣為最便」。２北洋艦隊的中堅是「定」、「鎮」二艦，各有三十點五厘米口徑的主炮四門，它們不是安裝在中心線上，而是位於軍艦前部的兩側，只有基本上保持艦首對敵，才便於充分發揮其威力。因此，丁汝昌在戰前訓令中規定「始終以艦首向敵，借保持其位置，而為基本戰術」，在海戰報告中，也有「各船均以船頭抵禦，冀以大炮得力」３的說法。北洋艦隊戰術運用上的錯誤，主要在於把速度不同的軍艦混合編組，並駕齊驅，致使「致」、「靖」、「經」、「來」四艦徒具高速而不能充分發揮其戰術性能，喪失了巡洋艦應有的機動攻擊作用，而陷於被動。相反，日方正是正確地利用了這一特點，將四艘高速艦單獨編為一隊，加之採用便於機動的單縱陣，因而在整個戰鬥過程中不受本隊航速的限制，進行機動突擊，而居於主動地位。其次，北洋艦隊在編隊上置弱艦於兩翼，當敵艦迂迴包抄其側翼時，得不到強大炮火的支援。正是由於這一錯誤，一開始就造成「揚威」、「超勇」兩艦中彈起火的惡果。此外，旗艦「定遠」在戰鬥開始後不久就中彈負傷，失去升旗指揮的能力，對於整個艦隊的作戰也是有很大影響的。
在實力對比方面，北洋艦隊是一支具有一定戰鬥力的近代海軍，不僅擁有當時世界上有數的大型裝甲艦和優良軍港，而且將領中不少人是受過西方海軍專業訓練的留洋學生，士兵大多是選自沿海一帶的勞動者，並聘有外國軍官擔任炮術、駕駛等各科教習，按西法進行訓練，戰前還進行過兩次較大規模的校閱和演習，但和日本海軍相比，總的實力畢竟居於劣勢。軍艦的速度是關係海戰勝負的重要條件。北洋艦隊速度最快的「致遠」、「靖遠」二艦，最高航速為十八節（由於使用日久，實際只有十五六節），最慢的「鎮中」、「鎮南」二炮艦，只有八節，而日艦最慢的「赤城」是十點二五節，最快的「吉野」達到二十二點五節。在戰鬥過程中，日艦（特別是第一遊擊隊）正是利用其速度快、便於機動的特點，始終居於「勝則易於追逐，敗亦便於引避」的有利地位；北洋艦隊則處處顯得被動，「惟隨敵隊之運動以為運動」１。在當時條件下，艦隊的攻擊力主要在於火炮。日本聯合艦隊不僅火炮總數大大超過北洋艦隊，而速射炮更是眾寡懸殊。據英國《海軍年鑒》統計，黃海海戰中，日本聯合艦隊的火炮發射力超過北洋艦隊六倍，以致「日軍以其勝利歸功於速射炮」。１除此以外，北洋艦隊雖有巨炮八門，「惟清廷怠忽無狀，平時不事補充，戰時全艦隊中，僅有榴彈數發而已，瞬息之間，榴彈告罄」２。尤有甚者，有的炮彈實以泥沙，有的彈丸火藥內摻水泥。因此，盡避戰鬥中命中彈丸不少，卻未能擊沉一艘日艦。
黃海海戰雖然失利了，但在力量對比居於相對劣勢和指揮失靈的情況下，北洋艦隊大部分官兵仍能奮勇拚殺，開創了海上鏖戰五個多小時的紀錄，其英烈精神和光輝事跡，是值得稱頌的。