豐島海戰前，運兵船走的是朝鮮西海岸路線；豐島海戰後，日軍控制了朝鮮西海岸的主要入海口，再要向朝鮮運兵，便只能分海陸兩段投送，即船隻先沿中國海岸前往中朝邊界大東溝(鴨綠江口外)，待銘軍登岸後，再由陸路直趨平壤。
在豐島海戰中，「高升」號被擊沉，使淮軍蒙受了慘重損失。海戰畢竟不同於陸戰，沒有地形作為掩護，一旦敵人擊毀運兵船，船上的士兵絕大多數都會葬身魚腹。李鴻章雖不清楚平壤方面的進展，但局勢的不斷惡化，也讓他不敢再掉以輕心，故而令北洋艦隊此次全隊護航，並特彆強調，艦隊必須在大東溝等待銘軍完全登陸後才能返航。
1894年9月16日，平壤淪陷，葉志超軍全軍潰退，增援朝鮮的行動事實上已失去意義，但中方對此尚一無所知。當天早晨，丁汝昌親率大小艦艇十八艘，護送五艘運兵船，自大連灣起航，於當天下午抵達大東溝。
有北洋艦隊主力護航，銘軍登岸相當順利，17日晨，他們已全部上岸。北洋艦隊完成護航任務後，旗艦「定遠」掛出龍旗，各艦做好了在午飯後返航旅順的準備。
上午11點半，艦隊的午飯時間到了，飯菜剛在甲板上擺好，「定遠」上有個水師學堂的實習生，突然發現西南海面出現煤煙，仔細一看，一支懸掛著美國國旗的艦隊正疾馳而來。
當時美國在黃海並沒有大艦隊，而且在甲午戰爭開始後，美國作為中立國，也不可能派遣大艦隊開赴鴨綠江口。丁汝昌聞報警覺起來，立即打旗語通知各艦，隨後，他偕同右翼總兵兼「定遠」管帶劉步蟾、新任總教習漢納根，登上「定遠」前方的飛橋，一面注視著來艦的動向，一面商討對策，水手們則草草結束午餐，迅速進入戰鬥崗位。
經過短時間的迅速商討，丁汝昌命令停泊在大東溝港外，包括「定遠」在內的十艘主力戰艦升火起錨，填充實彈，同時將十艦編為五小隊，每隊兩艦，全速駛向來艦。中午12點，來艦逐漸逼近，看清共十二艦，但原先懸掛的美國旗卻都突然不見了，全都換上了日本旗。
北洋艦隊先前出海尋敵時，久覓而不可得的日本聯合艦隊，就在眼前!
與豐島海戰前一樣，聯合艦隊又通過潛伏的日本間諜，獲得了中國增兵朝鮮的情報，故而才追蹤到此。事實上，由於北洋艦隊自身的燃料問題，在他們發現「美國艦隊」前，聯合艦隊便已將他們牢牢鎖定，而且提前了整整一個小時。
北洋艦隊的燃料來自開平煤礦。開平煤礦也就是開平礦務局，原是由李鴻章派唐廷樞創辦的洋務企業，唐廷樞死後，江蘇候補道張翼接任總辦。受困於資金，北洋艦隊給開平煤礦開出的價格不僅不高，還經常拖欠，久而久之，張翼便對向北洋艦隊供煤失去了興趣，艦隊催要，他便以劣質燃煤塞責，優質煤則被其出售給了商人。
劣質燃煤「煤屑散碎，煙重灰多」，燃燒值低，豐島海戰後，丁汝昌即致書張翼，就此事相責，但張翼對於丁汝昌的責問，絲毫不放在心上。此後丁汝昌多次向李鴻章稟告，李鴻章本人也親自出面交涉多次，然而由於開平煤礦實際已脫離李鴻章這位創辦人的掌握，張翼又自恃得到清廷高層的支持，故而情況依舊沒有改善。
這次在大連灣裝上北洋軍艦的燃煤，就是如同散沙一般的劣質碎煤，張翼甚至聲稱，北洋海軍如果需要優質的塊煤，可以自己在散碎的煤炭中進行挑選！
北洋艦隊皆為老艦，鍋爐都接近於報廢狀態，用了劣質燃煤後，性能更加糟糕，軍艦的航速也變得更為遲緩。不僅如此，劣質燃煤還會產生濃濃黑煙，正是它暴露了北洋艦隊的位置，導致北洋艦隊被日本海軍提前發現。相比之下，聯合艦隊用的全是優質燃煤，優質煤燃燒充分，所產生的煙霧稀薄，無形中便成了聯合艦隊的保護傘，北洋艦隊晚了近一個小時才發現對手，即源自此。
聯合艦隊在獲得中方即將再次派援登陸朝鮮的情報時，丁汝昌尚未率大隊主力匯合於大連灣，聯合艦隊得到的信息是，北洋艦隊僅有四艘弱艦護航，以至於在海面上發現北洋艦隊之初，他們還以為對方只是中國的運兵船。
上次在豐島海域屠戮「高升」就已輕而易舉，這次己方艦隊全體出動，又是掛著美國旗偷襲運兵船，任務豈非更加簡單?官兵們對此興奮不已，但待到兩軍相距漸近，黑煙越來越濃、越來越多，他們才猛然發現對面來的不是什麼運兵船，而竟然是北洋艦隊主力。
日本海軍原本就對北洋海軍心懷忌憚。豐島海戰後，這種畏懼心理雖然得以初步消弭，但人人皆知，參加豐島海戰的華艦並非北洋艦隊主力，因此北洋艦隊主力尤其是那兩艘鐵甲船，仍是日軍官兵尤其是水手們的夢魘。現在，這些北洋艦隊的主力軍艦突然都齊刷刷地出現在眼前，要說不怕是假的。
聯合艦隊也並沒有做好與北洋艦隊決戰的準備。先前襲擊威海衛時，聯合艦隊倒是有尋求北洋艦隊決戰的意圖和計劃，為保成功，共出動了
二十二艘軍艦、六艘魚雷艇、一艘魚雷艇供應艦，此次因情報和偵察失誤，只帶了十一艘作戰艦艇以及一艘配有少量武裝的商船。僅從艦船數量來看，聯合艦隊並不佔有明顯優勢，在這種情況下，整個艦隊的官兵都程度不同地出現了不穩定情緒，尤其弱艦上的官兵更有惶惶不安之感。聯合艦隊司令長官伊東佑亨深知己方軟肋，他馬上命令本隊以下官兵全體就餐，甚至飯後還允許隨便吸煙，以便能夠在戰前補充體能、鎮定心神。
一場不期而遇，使得中日之間主力軍艦的決戰再也無法避免。丁汝昌和高層軍官們儘管心情異常複雜，但他們都深知，如果不能迅速攔截日本艦隊，則幾乎毫無掩護的登陸運輸船隊，以及剛剛上陸的陸軍，都將面臨毀滅性的打擊，因此不管戰況如何，他們都得死死拖住日本海軍，並且使得戰場越遠離大東溝越好。
與日軍不同的是，北洋艦隊中下基層官兵無不精神抖擻，士氣高昂。北洋艦隊的基層官兵在艦上服役多年，從整體上講，其應戰能力和軍事素質本來就要高於對手，豐島海戰後，官兵們一直渴望著與日本海軍一決高下，為「廣乙」「高升」復仇，這場遭遇戰可謂正逢其時。另一方面，也不得不說，與方伯謙掩蓋事實、誇大戰果亦不無關係。方伯謙在豐島海戰的報告中，羅列了日艦「提督陣亡」，甚至「吉野」在傷重途中沉沒等「戰績」，雖然高級軍官們未必相信，但基層官兵還是信以為真，他們很自然地認為，己方在劣勢下猶能取得重大戰果，如今主力齊上陣，還有什麼理由不大獲全勝?
夾縫雁形陣
兩軍最初都以縱隊陣形相對而進，北洋艦隊是雙縱隊，聯合艦隊是單縱隊，及至雙方距離進一步拉近，丁汝昌下令變陣，將縱隊改為橫隊迎敵。
丁汝昌的臨時變陣，在戰後引起很大爭議，對此持批評意見的人頗多，他們認為「縱陣優於橫陣」，丁汝昌選擇橫陣，造成了後來交戰中的一系列被動局面。
然而事實上，中日海軍在其發展過程中都是以英國為師，也都熟知橫陣、縱陣戰術，實戰中大家究竟選擇哪一種戰術，談不上孰優孰劣，歸根結底，都是結合本國艦載武器的特點和效能進行發揮而已。
日艦大多數採用在側旋布置火炮的方式，自然不能選擇橫隊，縱隊是其唯一選擇。北洋艦隊主力艦的船舶設計，集中於十九世紀七十年代末至八十年代中期，當時的武器設計以艦首重炮為主，尤其鐵甲船「定遠」「鎮遠」二艦，火炮的口徑大、威力猛，具有絕對的射程優勢。丁汝昌將陣形改為橫隊，為的就是要突出艦首火力，並利用「定」「鎮」的射程優勢，儘可能在接敵前對日艦造成殺傷，反之，如果他繼續讓艦隊呈縱隊前進，不僅會大大增加交戰時的被彈面，還將導致可投入射擊的火炮數量減少。
丁汝昌的變陣令下達後，旗艦「定遠」率先前進，「鎮遠」繼之於後，兩艦勢如虎豹，鋒刃一般地插向敵艦群，左右兩翼其餘諸艦亦以同一航速趕了上來，整個艦隊緊縮成了扁形的「人」字(中國水手也因此將橫隊陣形稱為「人字陣式」)。
1894年9月17日中午12點50分， 中日艦隊的距離拉近至五千三百米，「定遠」先發制人，首先以右主炮開火，伴隨著一聲怒吼，一顆鋼鐵榴彈高速旋轉著飛出炮膛，射向聯合艦隊居前行進的第一游擊隊，歷史上著名的黃海海戰(也稱大東溝海戰)打響了。
武備配置方面，聯合艦隊根據己方以中口徑速射炮為主，有效射程不超過三千米的特點，戰前就制定了只有進入三千米範圍才能開炮的規定，因此，在最初遭到北洋艦隊轟擊時，第一游擊隊保持了沉默，沒有立即還手。與此同時，它們加快速度，急轉向左，以求在儘快通過北洋艦隊的單方炮火威脅區後，轉進至北洋艦隊之右翼，然而這一舉動，卻使其諸艦的右舷側面大面積暴露在了北洋艦隊的正前方。
在海戰中，以大面積向敵乃兵家之所忌。日軍的戰術舉措事後遭到西方海戰專家的批評，專家認為，聯合艦隊其實可以直接突破北洋左翼，而完全沒有必要捨近求遠，冒著暴露側翼的危險去攻擊北洋右翼。
北洋艦隊沒有放過對手的這一失誤，各艦抓住戰機，大小炮齊開，毫無間隙地連續向第一游擊隊發炮，開仗僅僅三分鐘，一顆炮彈便射中了「吉野」，炮彈穿透鐵板後，在甲板上發生爆炸，「秋野津」緊接著也中了彈，艦上的速射炮被炸毀。
可惜的是，北洋艦隊雖然頻頻發炮，命中率也很高，但卻無法在短時間內重創日艦。當時北洋艦隊所使用的炮彈大致可分為兩種：一種是實心彈(也稱凝鐵彈)，一種是開花彈(即榴彈，也叫生鐵開花彈或鋼鐵榴彈)；實心彈擊中敵艦後不會發生爆炸，殺傷性有限，只有開花彈擊中敵艦後才會發生爆炸。
北洋艦隊的彈藥由天津機器局提供，但受困於工藝技術水平，天津機器局僅能生產實心彈，生產不了開花彈。北洋艦隊最早的一批原裝開花彈，還是各艦在進口時配套帶來的，經過這麼多年的巡遊沿海、會操演練，早已經消耗得差不多了，再要向西方購買，戶部有禁令，朝廷也不撥資金，於是只能讓天津機器局仿造。天津機器局仿造的開花彈質量欠佳不說，數量也不多，只能集中給「定遠」「鎮遠」使用，其他戰艦分配到的開花彈較少。
早在豐島海戰前，丁汝昌就給「定遠」「鎮遠」準備了至少一百五十顆銅箍開花大彈，但北洋艦隊所用的開花彈，就其威力而言，亦十分有限——炮彈的重量雖然接近三百公斤，可是彈頭裝葯僅有十公斤，而且還是老式黑火藥，這種老式黑火藥容易受潮，且只有在封閉條件下才會爆炸。
被日軍掠到日本的定遠炮彈
按照北洋艦隊的作戰預案，如果艦隊不能用炮火即刻重創敵艦，還可以將敵艦分割包圍，用分隊亂戰的戰術進行打擊。北洋艦隊所採用的橫隊陣形，其正式名稱繫世界海軍的通用軍語，在中國海軍檔案中，這一陣形又被稱為「夾縫雁形陣」，丁汝昌的部署就是先保持五個小隊以「夾縫雁形陣」整體前進，待接敵後，再各自分開，插入敵縱隊進行分隊亂戰。
可以看出，迅速接敵，及時插入，是「夾縫雁形陣」能夠得到完美實施的一個重要環節，然而由於軍艦艦齡的普遍老化，北洋艦隊的整體航速受到了很大限制。第五小隊的「超勇」「揚威」尤其行動遲緩，其實十三年前剛服役時，它們還曾是最新式的進口巡洋艦，設計航速可達到十六級。
可是十三年過去了，這兩艘超勇級姊妹艦已經淪落為北洋艦隊出戰陣容中最老邁的軍艦，各方面性能都很堪憂，加之保養不力，鍋爐輪機一直未曾更換，如今已僅能保持七節的航速。雖經輪機官兵奮力趕超，勉強趕上大隊，但其緩慢的航速，還是拖累了整個艦隊——北洋艦隊的整體航速只能達到六至七節，第一游擊隊卻能達到十節。後者憑藉超高航速，在挨了幾彈後，終於得以越過它們最畏懼的「定遠」「鎮遠」，向北洋艦隊的右翼包抄，而北洋艦隊則錯過了插入第一游擊隊的縱隊行列，對其進行分割攻擊的最佳時機。
分隊亂戰
聯合艦隊所採用的單縱隊陣形，也稱魚貫陣，中國水手稱之為「一條龍」。伊東佑亨在排陣時，為發揮第一游擊隊航速快的優勢，特地讓第一游擊隊打先鋒，自己則率本隊隨後。
在第一游擊隊加速從北洋艦隊陣前橫穿而過時，本隊由於殿後的炮艦「赤城」速度較慢，致使編隊未能整體提速，與第一游擊隊之間出現了一個缺口。北洋艦隊看準對手這一漏洞，呈楔形插入其中，並將日軍兩編隊予以徹底切斷，隨後待「松島」駛近「定遠」的右方之際，各艦即以「定遠」為中心，向右集體旋轉約四十五度，將艦首指向本隊，集中火力展開攻擊。
聯合艦隊的旗艦，「松島」
作為聯合艦隊的旗艦，「松島」理所當然遭到炮火的重點照顧，主炮塔、右舷、右舷氣罐室等，被炮彈連續擊中，部分火炮被擊毀，艦上也起了火。即便是旗艦，「松島」水兵的職業水準也不及中國水兵，本來聯合艦隊規定不接近三千米距離不能開炮，但因水兵們無法忍受猛烈炮擊所帶來的那種特有的壓迫感，在雙方尚相距三千五百米時，他們就開炮反擊。
「松島」開了頭，緊跟其後的「嚴島」「橋立」便也都迫不及待地開了炮，但它們都無一例外地遭到北洋艦隊的炮火壓制，「橋立」步「松島」後塵，主炮塔被命中並出現了傷亡。
與精銳的第一游擊隊相比，本隊實力稍遜，「扶桑」「比叡」「西京丸」「赤城」諸艦的速力都較遲緩，此時已遠遠落後於先行各艦。北洋艦隊趁勢攔腰截斷，將其分為兩處，之後又以分隊為單位，對被切割出本隊陣外的日艦展開猛烈攻擊——先前對第一游擊隊沒使上的分隊亂戰之術，現在終於可以派上用處了。
相比於略顯緊張的日艦水兵，北洋基層官兵一個個精神抖擻、鬥志昂揚。「來遠」水手陳學海晚年回顧這段經歷時，仍激動不已，「當時船上弟兄們勁頭很足，都想跟日本人拼一下，沒有一個孬種。」他和同鄉王福清兩人抬炮彈，一心想多抬，上肩就飛跑，根本沒顧及危險。一顆炮彈在附近爆炸，彈片削去了王福清的右腳後跟，結果王福清根本就沒感覺出來。直至卸完炮彈往回走，陳學海看到他右腳下一片紅，問他怎麼了，王福清低頭一看，才覺得站不住了。
北洋官兵較高的軍事素養和戰鬥激情，在一定程度上彌補了中日海軍之間的裝備差距，並讓他們在分隊亂戰中初嘗勝果。首先挨揍的是「比叡」，「比叡」系鐵甲船，不過它只屬於二等鐵甲船，中國人稱之為「小鐵甲船」，而且也已經算是老艦。彈雨中，因經驗不足，「比叡」與本隊的距離越拉越大，漸漸成為孤艦，它慌不擇路，情急之下，竟欲穿越北洋艦隊陣列，取捷徑回歸本隊。這一冒險舉動讓它遭到了北洋艦隊的集中射擊，一時間，不計其數的炮彈命中其艦，「比叡」被打得體無完膚，主炮幾乎全毀。旋即，「定遠」的一枚開花彈命中「比叡」舷側，一些正在軍艦下方進行救治的傷員被殺傷，不少人甚至被當場炸成碎片，全艦傷亡高達五十餘人。
由於炮彈不佳，威力受限，「比叡」尚未受到致命殺傷，但即便這樣，艦體也已烈火熊熊。北洋艦隊見狀，士氣更加大振，「來遠」更是集結了大批手持步槍和長刀的陸戰隊員、水兵，準備採取古老的跳幫戰術，進行靠幫奪船。「比叡」的主炮雖然都變成了啞巴，但艦上的小口徑速射炮卻在關鍵時刻發揮了重大作用，五分鐘之內，「比叡」一邊拖著黑煙脫逃，一邊朝圍追它的華艦連續發炮一千五百餘發。炮彈的密集度和飽和度如此之大，使得「來遠」望艦興嘆，始終無法靠近「比叡」。其間，「來遠」也曾向「比叡」發射魚雷，此系中國海軍史上應用魚雷的首個戰例，但因魚雷的射程較短，且受到「比叡」尾流的干擾，未能命中。最終，「比叡」還是得以僥倖逃出火網生還，成為黃海海戰中撤離戰場的第一艘軍艦。
「赤城」為日本國內自造的炮艦，噸位較小，在聯合艦隊中屬於弱艦。「比叡」逃走後，「赤城」又再度陷入北洋艦隊的密集炮火之中，在「來遠」「致遠」「經遠」三艦的合力圍攻下，該艦被猛烈的炮火連續命中，彈藥庫發生爆炸，蒸汽管路被破壞，檣頭被擊毀，艦上官兵死傷甚重，艦長被彈片削去腦袋，當場斃命，代理艦長復受重傷。不過「赤城」的臨陣表現亦堪稱頑強，獨立牽制「來遠」等三艦近一個小時，作戰過程中，它還以唯一能使用的後主炮命中「來遠」的橋甲板和後甲板，並引爆「來遠」後甲板堆積的炮彈，進而引起了災難性的大火。
「西京丸」是一艘由商船改充的代用巡洋艦，黃海海戰的前一天，日本海軍軍令部部長樺山資紀中將正好乘坐「西京丸」視察，次日黃海海戰爆發，也就繼續乘船督戰。樺山資紀先是看到「比叡」掛出「本艦火災，退出戰列」的信號，接著又見「赤城」遭到圍攻，便急忙召喚第一游擊隊全速返轉回援。
這時，靠著續命的後主炮，「赤城」不僅得以繼「比叡」之後逃出戰列，而且重創「來遠」。未取全功又傷及一艦，令北洋艦隊憤恨不已，隨即將火力全面轉向「西京丸」，包含四枚巨彈在內的十三枚炮彈，先後命中該艦的兩舷、上甲板、輪機房等各處，「西京丸」全艦烈火熊熊，操舵全毀，僅能手動扳舵。
被擊中起火的西京丸
在大東溝卸船時，丁汝昌將十艘主力艦作為第一梯隊泊於口外，八艘其他艦艇作為第二梯隊，泊於港口。第二梯隊包括巡洋艦「平遠」「廣丙」，炮艦(蚊船)「鎮南」「鎮中」， 以及「福龍」「左一」「右二」「右三」四艘魚雷艇。海戰打響不久，「平遠」「廣丙」和四艘魚雷艇便從大東灣內駛出，趕來主戰場參戰，在「平遠」「廣丙」的炮火攻擊下，「西京丸」再度起火。可惜的是，魚雷艇在海戰中卻沒能起到「以小搏大」的作用，其中「福龍」冒著危險，高速逼近至距「西京丸」僅四十米處，向其接連發射了三枚魚雷，但都沒有命中。究其原因，與豐島海戰時，「浪速」發射魚雷攻擊「高升」而不中一樣，都是因為那個時期的魚雷在性能上還不夠穩定，距離遠了，夠不著，過近，又反而控制不住方向所致。
「福龍」失手，給了「西京丸」逃生的機會，這艘一度猶如「風中殘燭」的日艦，居然奇蹟般地得以僥倖脫身。雖然它在逃竄的過程中相當狼狽，甚至還差一點撞上「浪速」，但終究還是帶著累累彈痕，單獨逃回了日軍錨地。
總的說來，這一階段北洋艦隊佔據了戰場主動權，局面對他們是有利的，所取得的一個個戰果也都足以鼓舞人心。
在後方，李鴻章甚至接到戰報：日本聯合艦隊已經喪失戰鬥力！
未完待續
