1894年5月，清廷本來是安排李秉衡署理安徽巡撫，誰知當年的8月，甲午戰爭突然爆發，一旦膠東沿海失守，京畿東部門戶大開，朝廷直接暴露於敵人面前。朝廷隨即改命李秉衡為山東巡撫，想依仗他完成保衛山東、拱衛京師屏障重任。而原先山東巡撫福潤則調任安徽。
甲午海戰形勢圖
彼時，膠州半島的防務，由陸海兩軍共同完成。除威海衛的北洋水師外，清廷在山東半島投放的軍力共有兩萬餘人，這些兵力分屬於兩個不同的管理系統，其中5000陸軍，屬於李鴻章，主要防衛的是威海衛軍港以及劉公島，其餘15000人歸屬山東巡撫李秉衡節制，防衛包括蓬萊、登州、黃縣、榮成在內的山東半島其他地區（今煙臺、威海）。
作為北洋大臣，李鴻章多年辦理海軍事務，他手中的北洋水師，號稱亞洲第一、世界第八，一時風光無量。可是他卻知道，自己的水師不過是蒙著虎皮的紙殼，其實不堪一擊。原先他與前任山東巡撫福潤配合尚好，互相照應。如今聽聞李秉衡改任，心中暗暗不安。因為他與李秉衡並非一黨，而是政敵。
水師提督丁汝昌
而李秉衡身為山東巡撫，知道威海衛處於煙臺、威海的中心點，戰略地位不言而喻。存亡事關全省戰略，所以李秉衡的著眼點，原也包含威海的防務，但是由於職責不同，威海一帶的防務，他認為應當由李鴻章負責，與自己並無關係。
因此，李秉衡的兵力部署，大多傾向於除了威海之外的其他區域，佈防煙臺9200人、蓬萊3000人、萊州4000人，威海至榮成一線沒有佈防。
這個部署，其實是有問題的，李秉衡的步兵重點都在西部部區域，而東邊一翼近乎空白。不僅如此，李秉衡進一步要求威海淮軍守將戴宗騫，從威海守軍中抽調兵力，充實煙臺防務。這一命令讓李鴻章大為惱火。幸虧威海守軍都是淮軍舊部，在李鴻章嚴令下，才保住了威海僅有的幾千兵卒，而這些人，守衛沿岸炮臺尚嫌不足。
威海衛軍港
12月23日，防守威海的戴宗騫發現，有日軍奸細在榮成龍鬚島一帶上岸偵察地形，此處灣口寬闊且淺灘泥地，是登陸的絕佳場所，很可能日軍將把此處作為攻擊點。戴宗騫意識到事態嚴重，遂派人把重點防衛移到榮成一帶。
在李秉衡看來，威海衛的防務應當由李鴻章負責，而煙臺一線三百里海岸，現有兵力防守尚且不足，何來馳援。
但是榮成發現日軍也不能坐視不管，加上李鴻章專門發電請他“照顧榮成防務”，只得安排了1800名（另一說是1500名，還有300名是李鴻章調用）陸軍前往支援，這部分馳援，雖說有五個營（清代每個營300人）之多，卻都是省內河防軍臨時拼湊，毫無戰鬥經驗，軍械武器不足，用李秉衡自己的話說，是"惟竭此心力兵力而已"。李鴻章雖然不滿，也無可奈何。
日軍登陸
1895年1月20日凌晨，日軍先遣部隊果然抵達榮成，為3.4萬人的大部隊和輜重軍需作登陸前的準備。駐守龍鬚崖的清軍發現敵情迅速阻擊，卻被近海日軍軍艦炮火掩護，守軍很快潰散。日軍用了四天時間成功登岸，沒有遭遇任何有效抵抗。
李秉衡安排馳援的兩營600人，一直跟在威海淮軍守將戴宗騫的部隊後面，亦步亦趨，沒有戰意，毫無作用。而奉命趕赴榮成的威海駐軍尚未到達，就聽聞榮成失守的消息，也被迫折返駐地。
1月28日，日軍逼近威海南岸，駐守威海南北兩岸炮臺的淮軍幾乎全部調往南岸，全力阻止日軍登岸。至30日，清軍南岸駐守力量寡不敵眾，南岸炮臺全部淪陷，不得已退守北岸，殘餘清兵包括統領戴宗騫在內只剩十八人，可謂慘烈。
威海衛炮臺
北岸炮臺的射程覆蓋全部威海衛港灣，甚至遠達劉公島，一旦失守，水師勢必陷入腹背受敵的窘境。李鴻章當然知道這個危局，而李秉衡援軍遲遲不到，致使北部炮臺實際上處於失守狀態。不久，北岸便告淪陷，戴宗騫被丁汝昌接上劉公島，羞怒難當，於當夜便吞金自盡了。
不久日軍水陸兩軍夾擊劉公島，丁汝昌帶領殘部進行慘烈的保衛戰，彈藥用盡、沒有援軍的情況下，仍擊退日軍數十次進攻，直到日軍統帥伊東祐亨派人送來了勸降書，書中不乏惺惺相惜之意，讓丁汝昌考慮投降，最後期限是1895年2月11日。
在此期間，丁汝昌曾經安排下屬泅渡過海，向李秉衡求援，同時備下棺材以銘死志，但是駐紮煙臺的陸軍統領陳鳳樓，不僅沒有支援劉公島，反而退回煙臺，據說是奉了李秉衡之命。
深感無望的丁汝昌給李鴻章發了最後一封電報，稱"吾雖決意與艦同歸於盡，然人心潰亂，大勢已去矣。"於1895年2月12日凌晨吞鴉片自盡，用自己的生命換取了其他兵勇的安全，他捨身成仁的壯舉，甚至受到敵人的稱讚。
戰後，朝廷徹查丁汝昌自殺之事，李秉衡回覆稱"丁汝昌責任重大。"朝廷根據這一結論，下令將丁汝昌的棺槨捆上三道銅箍，塗上黑漆，用磚封固於家鄉村頭，十五年之內不許下葬，以此作為對他的懲罰。丁汝昌棺槨運回家鄉，他的妻子見到棺槨悲憤交加，吞金自盡。
馬關談判
這場戰爭，以清廷的完敗而告結束，清政府迫於日本軍事壓力，安排李鴻章為全權代表，前往日本的馬關，與日本代表伊藤博文和談，於1895年4月17日簽訂了《馬關條約》。
從表面上看，此次中日甲午戰爭中，至少是由於李秉衡和李鴻章的配合失當，加速了敗局的形成。至於李秉衡的異常行為，一種說法，是李為保存實力，錯誤判定戰爭形勢，存在怯敵的嫌疑；還有一種說法，是李當時確實捉襟見肘無兵可用，已經是竭盡心力盡力挽回頹勢；另一種就是說他被朝廷授意，帝黨藉機會打擊北洋大臣和淮軍勢力，削弱慈禧太后的實力。
李秉衡和老將軍馮子材
不管是哪種原因，說起來，作為山東巡撫的李秉衡，與北洋大臣李鴻章，在派系上確實並非一黨，前者是光緒一派，後者是慈禧嫡系，分屬於不同的利益集團。按理說朝廷應該知悉，不該把勢同水火的二李安排協同作戰。
據說李秉衡新到山東巡撫任上，即造訪翁同龢府上，與翁同龢相見甚歡並"留飯劇談"。翁氏是光緒帝師，他們談話的內容不得而知。另外，李秉衡在就任山東巡撫前，曾經被光緒皇帝叫到皇宮密談三次，談話的內容也無從知曉。
但是隨著甲午戰爭的進程來看，李秉衡的現實表現，似乎只有一個目的，就是千方百計拆臺，消耗李鴻章的勢力，戰局的實際效果，是顯而易見的。
關於李秉衡的問題，至今史學界還有爭議，但是對他還是褒大於貶的。誠如所言，李秉衡出於黨政私鬥而置友軍於絕境，甚至無視國家安危利害，且不說人品如何，作為為政一方的大員，其官品就值得商榷。但是，在那個盤根錯節、異常複雜的廟堂之上，想要有立足之地，只有仰一方鼻息，排隊站位更加重要。這也是保全自身的無奈之舉，身居廟堂，危乎高哉，自顧尚且不暇，什麼官品人品，也只能往後放放了。
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