甲午战争爆发后，日本海军按原定作战计划，准备在黄海寻歼中国北洋海军。1894年9月17日，中日海军在黄海北部海域相遇，遂爆发了中国近代海军建军以来最大的一次海战，给中日战争尔后的进程带来了重大影响。
1894年7月，中日两国军队齐集朝鲜，战争迫在眉睫。7月中旬，日本海军主力舰艇在佐世保军港集结，成立联合舰队，下分本队和第一、第二游击队。7月23日，日本联合舰队从佐世保启航。7月25日，日舰“吉野”、“浪速”、“秋津洲”于丰岛海面袭击中国运兵船和护航舰只，获得成功，使日本增强了战胜中国海军的信心。自此以后，联合舰队一直活动于朝鲜海域，一面掩护后续陆军和军械粮秣的海上运输，一面声援日军的陆路作战。8月5日，日本大本营命令联合舰队搜索和击破中国舰队，日舰随即于8月7日从隔音岛出发，驶往黄海西部海面。
北洋舰队方面受李鸿章避战保船思想的牵制，自7月25日丰岛海战之后，只敢在大同江口和威海卫军港之间来回巡弋。后来，日舰窜至旅顺口、威海卫港外，威胁到沿海地区的安全，清政府于是在8月23日急令北洋舰队应在威海、大连湾、烟台、旅顺等处“来往梭巡，严行扼守，不得远离，勿令一船阑入”。此后，北洋舰队再未远巡，不出北洋一步，将制海权轻易让给日本，使北洋舰队日益陷入消极自保的被动局面。
9月上旬，清政府鉴于平壤之战即将爆发，准备增派援兵。为了争取时间，决定将驻防大连一带的总兵刘盛休所部铭军8营4000人由海道运至中朝边界大东沟登陆，再辗转前线。9月15日，北洋舰队主力抵达大连湾，担任船队的护航任务。9月16日凌晨，丁汝昌率“定远”、“镇远”、“济远”、“致远”、“靖远”、“经远”、“来远”、“平远”、“超勇”、“扬威”、“广甲”、“广丙”、“镇南”、“镇中”14舰及“福龙”、“左队一”、“右队二”、“右队三”4艘鱼雷艇从大连出发，护送铭军，当日午后抵大东沟。晚上，铭军上岸，到达目的地。不过，此时平壤已经失陷，铭军无法起到应援的作用。
日本联合舰队得知中国海军将护送陆军赴朝的消息后，判断北洋舰队有可能在鸭绿江口一带，于是于16日下午出发，向黄海北部的海洋岛航进，17日晨抵达该岛附近。日本共12艘军舰分别是：“松岛”、“严岛”、“桥立”、“扶桑”、“千代田”、“比睿”、“赤城”、“西京丸”、“吉野”、“高千穗”、“秋津洲”、“浪速”。9月17日上午10时30分左右，北洋舰队正准备起锚回航旅顺，发现日本舰队自西南驶来，丁汝昌即命令舰队启锚迎战。日本舰队随后也发现了北洋舰队。北洋舰队开始成“并列纵阵”（“定远”、“镇远”两舰居前），以每小时五海里的速度向西南方向航进。日本则以第一游击队“吉野”、“高千穗”、“秋津洲”、“浪速”4艘速率最高的巡洋舰为先锋，联合舰队司令乘旗舰“松岛”，率领本队“千代田”、“严岛”、“桥立”、“比睿”、“扶桑”跟进，12时许，又将“西京丸”、“赤城”移至本队左侧。
丁汝昌见日舰成“单行鱼贯阵”扑来，决定采取主舰居中的“夹缝雁行阵”（交错配置的双横队）应战。但由于旗舰“定远”舰速度过快，“济远”、“广甲”等舰未能及时跟上，阵形因此成为半月形而类似“后翼梯阵”。
12时50分，双方在大鹿岛（大洋河口外）西南3海里处开始交火。“定远”首先发主炮攻击，其余各舰相继开炮，但均未击中目标。战斗开始不久，“定远”发炮震塌飞桥，丁汝昌摔伤，信旗被毁，各舰失去指挥。日第一游击队4舰陆续以其右舷速射炮猛轰“扬威”、“超勇”，二舰相继被击中起火，退出战斗。日舰“吉野”也被北洋舰队击中起火，但很快被扑灭。13时30分左右，“超勇”沉没。
当日本第一游击队绕攻北洋舰队右翼时，本队也与北洋舰队主力交相攻击。日舰“比睿”、“赤城”被北洋舰队截击。“定远”、“来远”、“经远”重创“比睿”、“赤城”。“赤城”舰长坂元八郎太当场毙命。“西京丸”也受重伤。但是，日本舰队利用其航速快、便于机动的优点，第一游击队和本队互相配合，至14时15分左右，本队已绕至北洋舰队背后，与第一游击队形成夹击之势。北洋舰队腹背受敌，队形更加混乱。在混战中，“致远”舰多处受伤，船身倾斜。日舰第一游击队救援“赤城”、“比睿”。“吉野”冲在最前面，正遇上“致远”。管带邓世昌见“吉野”十分猖狂，毅然下令开足马力，准备用冲角撞击“吉野”，以求与敌同归于尽，不幸被鱼雷击中沉没，邓世昌等250名官兵壮烈牺牲。
“经远”继续迎战“吉野”，也中弹起火，管带林永升、大副陈策阵亡，随后舰也被击沉，250余名官兵殉难。
“致远”沉没后，“济远”、“广甲”临阵脱逃。“靖远”、“来远”因中弹过多，退出战斗，避至大鹿岛附近紧急修补损坏的机器。
在“致远”、“经远”等舰同第一游击队激战的同时，“定远”、“镇远”两舰正顽强抵抗着日舰本队的围攻，虽中弹甚多，几次起火，全体官兵仍然坚持奋战，重创敌旗舰“松岛”，打死打伤炮台指挥官海军大尉志摩清直以下100多人。
不久，“靖远”、“来远”抢修完毕，重新投入战斗。“靖远”帮带大副刘冠雄见“定远”号旗桅杆断裂，不能升旗指挥，建议本舰代悬信旗集队，指挥各舰绕击日舰。这时，日旗舰“松岛”已经瘫痪，“吉野”也丧失了战斗力，其余日舰也都伤亡惨重，不能再战，又见北洋舰队重新集队，便于17时40分左右撤出战场。北洋舰队稍事追击，也收队返回旅顺。历时5个多小时的黄海海战到此结束。
黄海海战历时5个多小时，其规模之大，时间之长，为近代世界海战史上所罕见。
海战的结果是北洋舰队损失“致远”、“经远”、“超勇”、“扬威”、“广甲”（“广甲”逃离战场后触礁，几天后被自毁）5艘军舰，死伤官兵千余人；日本舰队“松岛”、“吉野”、“比睿”、“赤城”、“西京丸”5舰受重伤，死伤官兵600余人。北洋舰队的损失大于日方。黄海海战以后，由于北洋舰队不敢再战，日本基本上掌握了黄海制海权，对后来中日战争的进程产生了重大影响。从这个意义上说，北洋舰队在黄海海战中是失利了。失利的原因一是北洋舰队指挥失误，排出的阵形不利于进攻，发挥不了己方舰队在舰艇数量、大口径火炮和防护能力等方面的优势，开战不久即失去统一指挥，始终处在被动地位；二是“济远”率先逃跑，影响了斗志；三是弹药不充足。日方则充分利用其航速、中小口径速射火炮方面的优势，运用灵活的战术，掌握了战场主动权。
