双方的吨位是RB海军42000余吨，北洋舰队35000余吨。此外，RB军舰的航速大部分高于北洋水师。
交战的战场，并不是在鸭绿江口的大东沟，而是在大鹿岛与大洋河口、大孤山一带海域，在鸭绿江口以西约50公里处。
12时05分，联合舰队第一游击队在先，本队在后，呈单纵阵，接近北洋水师。
12时20分，北洋水师在行进中由双纵阵改为横阵，旗舰定远位于中央，其余各舰在其左、右依次展开，舰队呈楔形梯队。同时丁汝昌还发出命令：“各小队须协同行动；始终以舰首向敌；诸舰务于可能之范围内，随同旗舰运动之。”
这个阵型被不少人诟病，认为是海战失败的原因之一。其实军事家们认为北洋水师的阵型并无不妥之处，以定远和镇远顶在最前面当肉盾，利用它们的铁甲吸引炮火，其余各舰会有更多的歼敌机会，这个作战理念，在海战结束后定远和镇远虽然被日军集火，但并未沉没，仍然能自主航行并有战斗力也可以得到证明。
12时50分，双方舰队相距5300米，北洋水师旗舰定远首先开炮，据戴乐尔记载，这一炮令正在飞桥上的丁汝昌和戴乐尔摔落并受伤。
丁汝昌的受伤，在历史上有些争议，有说他是被定远的巨炮震落受伤，有说是被日军炮火波及受伤，有说是被烧伤。戴乐尔是为北洋水师提供服务的英国海军军官，时任“定远”铁甲舰副管驾，他参加了黄海海战和威海卫之战两次战役，是一个活跃在近代中国历史舞台的外国人，这里取戴乐尔的说法。
从此时起，北洋水师各舰除跟随定远进退之外，已经失去了指挥。
13时左右，第一游击队炮击北洋水师右翼超勇、扬威两舰。日舰的快炮在这时发挥巨大作用，在短时间大量炮火的倾泻下，超勇、扬威两艘旧式军舰被压制得几无还手之力，受到集火后，超勇、扬威起火燃烧，日军抢到了先手。
13时20分，联合舰队本队航速较慢的比叡、扶桑、赤城成为北洋舰队的打击目标。比睿、赤城受重伤，赤城号上军官死伤大半，舰长坂元八郎太少佐被定远的150mm克虏伯炮击毙。
14时15分，西京丸上的桦山海军军令部长发信提醒伊东比睿、赤城危险，伊东令第一游击队再次左掉头救护回舰，反将一直被隔在北洋水师对面的西京丸暴露在火力下。
14时20分，日舰西京丸中弹起火退出战场。福龙朝它发射两枚鱼雷未命中，追到40米处发射第三枚，结果鱼雷未来得及回到正常定深，从西京丸下通过，西京丸幸运逃脱。
来远号追击逃逸的比叡号，被比叡号发炮击中甲板，引发大火，受到重创，日军一艘正撤出战场的弱舰重创北洋主力巡洋舰，让人始料未及。
在此时刻，超勇终于沉没，扬威重伤驶离战场搁浅。
14时30分，北洋水师平远命中日舰松岛，也被其所伤并引起火灾，暂时退避。
15时04分，北洋水师对联合舰队殿舰扶桑进行冲撞，扶桑舰240mm炮击中定远，使其大火熊熊，无法扑灭；迫使定远停止射击，日方围攻定远。
15时20分，第一游击队集中炮火打击北洋水师突前试图撞击浪速的致远，致远沉没。
济远、广甲在致远沉没后，迳直逃回旅顺。广甲在途中离岸太近触礁搁浅，两天后被日舰击毁。北洋水师已无法保持战斗队形。
15时30分，联合舰队旗舰松岛被镇远的305炮第二次击中，命中左方四号副炮炮廓，并引起堆积的弹药爆炸。
日方松岛撤退，旗舰变更为严岛；同时，RB联合舰队对北洋水师发动了当天最为猛烈的炮击，仍然无法击沉定远、镇远；联合舰队第一游击队猛追经远将其击沉。
16时10分，北洋水师靖远、来远受伤，退向大鹿岛。联合舰队旗舰松岛发出了“各舰随意运动”的信号。
17时左右，北洋水师靖远、来远经抢修恢复战斗力。靖远代替旗舰升起队旗，收拢各舰。
17时30分，北洋水师经远沉没。联合舰队发出“停止战斗”的信号，脱离战斗，海战结束。
RB舰队停止战斗的原因，不是保存实力，更不是心存怜悯，而是因为日落西山，天色已晚。日军在作战报告中表示，如果日落晚一个小时，就能全歼北洋水师，此话虽然有点夸张，不过其他国家事后的分析也都认为，如果海战晚一个小时结束，北洋水师至少要再被击沉两艘军舰。
黄海海战历时5个多小时，北洋水师损失致远、经远、超勇、扬威以及触礁后被毁的广甲5艘军舰，来远受重伤，死伤官兵六百余人；RB舰队松岛、比睿、赤城、西京丸4舰受重伤，死伤官兵300余人。
黄海海战以后，李鸿章下令北洋水师退回旅顺、威海，“避战保船”也即采取了“存在舰队”策略，不再出战，宣告RB海军就此掌握了黄海制海权。
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