1894年中日甲午戰爭爆發。9月，中日海軍在黃海北部展開了一場極具慘烈的遭遇戰，即黃海大海戰。北洋海軍剛在運兵東北大東溝返航途中突遭日軍，雙方開戰。艦隊是實力相當的艦隊，但結局卻是一邊倒。當面臨的是戰場而不是操場、面對的是敵艦而不是靶艦的時候，“節制精嚴”的北洋艦隊變得毫無節制可言。
首先艦隊佈陣就陷入混亂。丁汝昌與洋員漢納根、泰萊商定“分段縱列、掎角魚貫之陣”，到劉步蟾傳令後竟變為了“一字雁行陣”；接著針對日方的陣式我方又發生齟齬，接戰時的實際戰鬥隊形擺成了“單行兩翼雁行陣”。
臨戰前短時間內陣型如此變亂，致使今天很多人還在爭論考證，北洋艦隊用的到底是什麼陣型。此種勉強之陣形維持時間也不長，“待日艦繞至背後時清軍陣列始亂，此後即不復能整矣”。戰鬥中掉隊的日艦“比睿”號從我艦群中穿過，“來遠”艦在400米距離上發射魚雷，不中，其僥倖逃出。
火力極弱的武裝商船“西京丸”經過“定遠”艦時，“定遠”發4炮，2炮未中；“福龍”號魚雷艇趕來向其連發3顆魚雷，最近的發射距離為40米，竟也無一命中，又僥倖逃出。僅600餘噸的“赤城”號在炮火中蒸汽管破裂，前炮彈藥斷絕、大檣摧折居然也不沉，再僥倖逃出。
李鴻章誇耀北洋海軍的“攻守多方，備極奇奧”、“發十六炮，中至十五”之說，在真槍實彈的戰場上煙消雲散。
由於先擊之不中，後中之不沉。在有效射距外總兵劉步蟾就命“定遠”艦首先發炮，首炮非但未擊中目標，反震塌前部搭於主炮上的飛橋，重傷了丁汝昌。首炮之始北洋艦隊就失去了總指揮（泰萊回憶道，“此橋之名甚佳，而其竟飛，而丁與予亦隨之飛。鴨綠江之戰以是開始”）。
這場命運攸關的海戰持續4個多小時，由於劉步蟾、林泰曾二位總兵，無一人挺身而出，替代丁汝昌指揮，“旗艦僅於開仗時升一旗令，此後遂無號令”。北洋艦隊幾乎始終在無統一指揮的狀態下分散作戰。只在戰鬥將結束時才有“靖遠”艦管帶葉祖圭升旗代替旗艦，升起的也是一面收隊旗，收攏指揮殘餘艦隻撤出戰鬥而已。
此役之後，北洋海軍已不能獨立成軍，但被日軍畏怕甚過虎豹的定遠、鎮遠兩鐵甲艦尚存。如果重整旗鼓，抓住戰機，仍有可能挽回戰局。可是丁汝昌再不敢出洋巡邏作戰，只把艦隻龜伏在旅順和威海港內。
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