黄海海战实则是平壤之战的延续。眼看平壤大战在即，清政府曾计划派兵紧急由海路赶往中朝边境大东沟一带登陆，再转道前往平壤实施增援。为确保救援部队平安登陆，他们同时下令北洋舰队紧急赶往大连湾担任护航任务，没想到北洋舰队遭到日军联合舰队的伏击，一场惊心动魄的海战爆发。
北洋舰队七月曾遭日军伏击，操江号被掳走，高升号被击沉，日本海军由此开始自信心得到极大地增强。他们一直在海上加紧搜索中国舰队，并且随时准备与清军进行决战。而北洋舰队则自此而心生胆怯，更受到李鸿章“保全坚船为要”指示的束缚，完全处于消极自保的状态，不仅不敢出洋巡游，更不敢与敌决战。
在接到护航任务之后，丁汝昌率领舰队于九月十五日上午火速抵达大连湾，并完成预定掩护登陆任务。九月十七日上午十时，舰队正准备返回旅顺基地，却发现日本联合舰队正由西南方向朝着他们急速驶来。
原来，日军事先得到中国舰队即将护送陆军赴朝的消息。根据这一情报他们判断，清军舰队必会在鸭绿江口一带出现，便迅速集结所部十二艘军舰，向黄海北部海洋岛方向前进。正如日军所料，他们一直苦苦搜寻的北洋舰队正在这一带活动。
发现敌情后，丁汝昌下令所有战舰做好战斗准备。北洋舰队以定远和镇远两舰居前，组成“并列纵阵”，向西南方向航进。日舰则以吉野等四艘速度较快的巡洋舰为先锋，其余诸舰紧紧跟进，向北洋舰队驶来。丁汝昌等在定远舰前方的飞桥上，发现日舰成“单行鱼贯阵”，遂决定采取以主舰居中的“夹缝雁行阵”（交错配置的双横队）应战，但旗舰速度较快，济远、扬威等舰未能跟进，预定阵形未能组成。
镇远舰模型
十二时五十分，双方舰队相距只有六千米，定远及其余各舰相继向敌舰开炮，但均未击中目标。日舰则趁着硝烟弥漫，加速向前急驶，当距离北洋舰队约三千米时，日舰陆续向清军扬威、超勇号射击。很快，双方仅距一千六百米，日舰改以低弹道向超勇、扬威实施抵近射击，两舰相继起火，超勇不久沉没。这一回合，日舰仅有吉野号受轻伤，清军损失严重。
北洋舰队虽然阵形已被日军打乱，但各舰大多自觉地迅速调整方向，向日舰发起猛攻，并重创敌比睿、赤城、西京丸号，赤城号舰长坂元八郎太当场毙命。
日军随即组织反扑，充分利用日舰航行速度快、更加灵活机动的特点，对北洋舰队形成夹攻之势。战斗中，丁汝昌身负重伤，只得由定远舰管带刘步蟾接替其指挥战斗。致远舰则遭受日军沉重打击，损毁非常严重，随时有沉没的危险。见此情形，管带邓世昌不顾船身倾斜，下令开足马力，朝敌吉野号全力驶去，试图与敌舰同归于尽，不幸半途被日军鱼雷击中，邓世昌等二百五十名官兵壮烈牺牲。致远沉没不久，经远也中弹起火。看到北洋舰队阵形分散，日舰吉野等死死咬住经远不放，经远以一敌四，始终无法摆脱敌舰缠绕进攻。管带林永升不幸中弹，脑裂而亡，时年四十岁。帮带大副陈荣也身受重伤，但一直坚持督战，最终也为国捐躯。济远和广甲两舰见处境不妙，相继脱逃，这与邓世昌等人视死如归的表现，形成鲜明对比。
激战之中，清军靖远和来远号也因中弹过多，先后退出战斗，紧急进行维修。平远舰等因追赶敌西京丸号，被敌舰拦截。定远和镇远两舰互相呼应，虽多处中弹，仍然一直坚持战斗，最终重创敌旗舰松岛号。敌军各舰只得各自为战。吉野也遭受重创，只剩下一具躯壳。而北洋舰队的靖远和来远号在紧急抢修之后，重新投入战斗，泊于军港之中的镇南和镇中等赶来助战，平远和广丙及各鱼雷艇也相继折返战场，北洋舰队俨然重新列成严整阵形向日舰发起攻击。日军见势不妙，遂下令各舰向东南方向遁逃。按理说，此时正是北洋舰队乘胜追击的好时机，正好给日舰沉重一击，无奈清军各舰也已疲惫不堪，再加上炮弹告罄，也只得眼睁睁地看着日舰逃走，北洋舰队也收队返回旅顺。黄海海战在历时五个多小时、双方各自付出巨大代价之后，宣告结束。
此次海战，日军有松岛、吉野等五舰受重伤，死伤约六百人。北洋舰队方面，致远、经远等四舰被击沉，广甲自毁，来远等舰重伤，伤亡士卒近千。两相对比，清军损失显然远远大于日军。虽然损失远远大于日军，北洋舰队却迫使敌军率先逃离战场，仅从这一点来看，北洋舰队似又不能算成失败一方。正因如此，中外舆论对于黄海海战谁胜谁负，至今一直众说纷纭，莫衷一是。
遭受重创的“松岛”率队退出战斗
当然，如果考察战争实际效果，日军更像是得胜一方。经过黄海一役，北洋舰队再也不敢与敌军接战，日本联合舰队虽未达成“聚歼”北洋海军的目的，却由此基本掌握了黄海的制海权，为此后进攻辽东半岛创造了条件，对整个甲午战争的进程产生了重大影响。
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