1894年9月17日，舊曆八月十八。軍機處電諭李鴻章，著丁汝昌護送銘字軍在朝鮮登岸後即行返回旅順，巡防各海口，遇敵即擊，不得延誤。
同日，軍機處擬繕諭旨進呈皇帝：指責李鴻章未能迅赴戎機，以致日久無功，請拔去三眼花翎，褫去黃馬褂以示薄懲，或交部嚴加議處。
同日7時許，在大東溝的招商局「新裕」、「圖南」、「鎮東」、「利運」、「海定」5艘運兵船獲准可以自行返航。
北洋艦隊完成護航任務之後，上午8時，主艦「定遠」上掛出龍旗，準備返航。
9時許，丁汝昌傳令在大東溝外進行「巳時操」。
10時30分左右，艦隊常操結束。
按北洋艦隊秋季作息時間，上午11時55分開午飯。各艦伙夫正準備午餐，瞭望兵突然發現西南方向海面上有黑煙簇簇，立即報告。丁汝昌登上甲板，看後才知是倭船，立即決定升火以待，命令各艦準備戰鬥。此時，提督丁汝昌、右翼總兵劉步蟾及總教習德國人漢納根都登上旗艦「定遠」前方的飛橋，一面密切注意著日艦的動向，一面商討對策。丁汝昌指揮大東溝外的「定遠」、「鎮遠」、「致遠」、「靖遠」、「經遠」、「來遠」、「濟遠」、「廣甲」、「超勇」、「揚威」10艘戰艦，列犄角魚貫小隊陣（即雙縱陣），以5海里的航速迎敵。
日本艦隊有「吉野」、「高千穗」、「秋津洲」、「浪速」、「松島」、「千代田」、「嚴島」、「橋立」、「比睿」、「扶桑」、「西京丸」、「赤城」12艘軍艦。
12點50分，雙方艦隊相距5300米時，「定遠」打響了黃海海戰的第一炮，黃海海戰爆發。3分鐘後，日軍也發炮轟擊，「定遠」艦的飛橋甲板被敵彈射中，正在督戰的丁汝昌被震跌摔倒，左腿被夾擠在甲板鐵木中，無法動彈，右臉和脖頸被火焰燒傷。丁提督包紮傷口後，拒絕進入艙內，坐在艦上重要部位督戰，直至海戰結束。
在戰鬥中，中國艦隊重創日艦「松島」、「比睿」、「西京丸」、「赤城」。而北洋艦隊「致遠」、「經遠」、「超勇」、「揚威」4艦沉沒，管帶黃建勛、林履中、鄧世昌、林永升等殉國。方伯謙駕駛「濟遠」在撤退的過程中慌不擇路撞上之前擱淺重傷的「揚威」，並導致其沉沒，同時和「濟遠」同一個小隊的「廣甲」也轉舵加速離開戰場，一路加大馬力，卻在大連三山島觸礁擱淺。「平遠」和「廣丙」及魚雷艇前來加入戰鬥。
4點07分，「松島」掛上不管旗，允許各艦自由活動。日艦一擁而上，當「定遠」和「鎮遠」被日本5艦圍攻，情況異常險惡的時候，「來遠」和「靖遠」修竣歸隊。「靖遠」在幫帶大副劉冠雄的建議下代替旗艦升起收隊旗幟，組織「來遠」、「平遠」、「廣丙」以及魚雷艇聚攏歸隊，北洋艦隊此時已經重新集結。而日方伊東右亨則隨即下令日艦撤出戰鬥，5點30分，日艦全部撤離戰場，北洋水師追擊了一陣，由於航速過慢，只得放棄追擊。而此時，「定遠」和「鎮遠」的炮彈也已基本用光。
黃海海戰不僅是世界上規模最大的以蒸汽機為戰艦動力的近代大海戰，而且也是中日海軍的一次主力決戰，北洋艦隊付出了沉重的代價，損失了「致遠」、「經遠」、「超勇」、「揚威」4艦，犧牲官兵600多名，而日本聯合艦隊傷亡300餘人，一艦未沉， 在短短3個月內就恢復了原有實力。北洋艦隊是這次海戰的失敗者，其衰敗正始於此役。