自午后3时半至5时半为黄海海战的最后阶段。
由于北洋舰队先后失去6舰，因而在最后阶段的海战战场上，坚持战斗的只有定远、镇远、来远、靖远4舰。日本则尚有吉野、高千穗、秋津洲、浪速、松岛、千代田、岩岛、桥立、扶桑等9舰。双方军舰数量对比为4：9；吨数对比为19870：33834吨。日本舰队力量超过北洋舰队一倍以上。北洋舰队处境十分困难。
但是，定远、镇远等四舰全体爱国官兵，面对优势敌人，毫无惧色。他们坚持战斗，力挽危局，誓与敌人血战到底。
海战第三阶段一开始，日本舰队以本队之松岛、千代田、岩岛、桥立、扶桑5舰包围定远、镇远；第一游击队4舰则进攻来远、靖远。实际上形成了两个战场。
定远、镇远是当时世界各国海军中罕见的大型铁甲舰，装甲厚、吨位大、炮火重，利于防御。日本舰队平素“畏定、镇二舰甚于虎豹”，心欲击沉之而后快。此时见有机可乘，便以本队5舰将定远、镇远团团围住，进行猛烈攻击。“药弹狂飞，不离左右。”妄图一举将两舰击沉，以遂其聚歼北洋舰队于黄海的狂妄野心。
镇远舰上的美国人马吉芬回忆，日军本队敌舰5艘将定远、镇远包围，“进行射击，这是当天最猛烈的射击”。
定远、镇远虽被敌舰5艘团团包围，并无惧色，他们誓死抵御，镇定自若。定远舰管带刘步蟾表现尤为出色，作战果敢，指挥灵活。定远航路时刻变换，敌炮不能瞄准。镇远管带林泰曾、大副杨用霖指挥镇远舰奋击突进，操纵自如，始终与定远保持着互相依恃的犄角列骈阵形，与敌军5舰周旋。在林泰曾、杨用霖指挥下，镇远发炮准确、灵敏，士兵恪尽职守，阵脚整齐，虽多次中弹起火，但扑救及时，有条不紊，全舰战斗力不减。
在艰苦的战斗中，涌现出许多英雄人物和感人事迹。据在镇远参加战斗的美国人马吉芬记载：镇远12寸巨炮炮手，正于瞄准之际，忽来敌弹一发，炮手头颅，被炸得粉碎，头骨片片飞扬，波及附近炮员。但其他炮手毫无惊惧，即将炮手尸体移开，继续开炮射击。表现出临危不惧的英雄气概。
《日清战史》记载了当时定远、镇远二舰官兵们英勇应战的情形：“我本队舍其他各舰不顾，举全部五舰之力量合围两舰，在榴霰弹的倾注下，再三引起火灾。‘定远’甲板部位起火，烈焰汹腾，几乎延烧全舰。‘镇远’前甲板殆乎形成绝命大火，将领集合士兵救火，虽弹丸如雨，仍欣然从事，在九死一生中依然将火扑灭……”
最后彻底翻盘的机会来了，它近在咫尺，似乎是伸手可及，但是终于还是错过走远，失之交臂。
英勇无畏的北洋海军，此时他们太需要击沉一艘敌舰以鼓舞自己打击敌人。当然如果是击沉敌军的旗舰松岛号，那就相当完美了。
从一开始北洋海军便紧紧咬住日军旗舰松岛号不放松。
此前，2时34分，“平远发射26厘米炮弹一发，命中松岛左舷军官室，贯穿鱼雷用具室。打死左舷鱼雷发射员四名”。3时10分又中一炮，炮弹“打穿左舷中央鱼雷室上部，在大樯下部爆炸。打死左舷鱼雷发射员二名”。
但是高潮在战斗进行至午后3时30分左右出现。
就在此时，定远所发之两枚30厘米半口径大炮，命中日本旗舰松岛右舷下甲板第四号炮位，击中4号火炮炮身，继续穿过上甲板和右舷侧。另一发炮弹命中4号炮的钢盾，把120毫米阿姆斯特朗火炮炮身弯曲抛出，引起堆积在甲板上的弹药爆炸。
“霎时如百电千雷崩裂，发出凄惨绝寰之巨响。不一会儿，松岛剧烈震荡，船体倾斜。烈火百道，焰焰烛天；白烟茫茫，笼蔽沧海，死伤达84人，死尸纷纷，或飞坠海底，或散乱甲板，骨碎血溢，异臭扑鼻其惨瞻殆不可言状。”
日人平田胜马在他所著的《黄海大海战》一书中，记述松岛中弹时的惨状写道：
“……头、手、足、肠等到处散乱着，脸和脊背被砸烂得难以分辨。负伤者或俯或仰或侧或卧其间。从他们身上渗出鲜血，黏糊糊地向船体倾斜方向流去。滴着鲜血而微微颤动的肉片，固着在炮身和门上，尚未冷却，散发着体温的热气。此情此景，已经使人惨不忍睹。但更为凄惨的，是那些断骨……这不是普通的小炮弹，而是三十厘米半巨弹的爆炸。因此，被击中的人，自然要粉身碎骨，肌肉烧毁，形迹无存，仅余断骨而已。这些断骨，已无皮肉，好像火葬场火化后拾到的白骨……”
松岛遭此二弹，官兵死伤达“一百一十三人，占定员人数的百分之三十二”。舰上炮手死伤殆尽，伊东佑亨只得把军乐队员拉上凑数。但各炮已毁不堪用，舰体损伤严重，舵机毁坏失灵，完全丧失作战能力。
但是，我们需要注意的是，击中松岛号的第一枚30厘米半炮弹其实是一枚实心弹，伤害有限。而第二枚炮弹是装填了90磅黑色火药的爆破弹，但造成如此大威力，只是因为引爆了松岛舰艇上装有下濑炸药的炮弹。
我们可以设想一下，如果击中松岛二弹的都是装有新式下濑炸药的炮弹，如果北洋海军全部都使用了装有新式下濑炸药的炮弹，甚至只是使用装填黑火药的爆破弹而不是实心弹，那么历史将会发生怎样的戏剧性改变？
大东沟血战，北洋海军其实已经真的是尽责，而且是真的做得很好了！没有扭转战局，没有击沉一艘敌舰，那不是他们的责任。
引爆的下濑炸药让日本水兵自作自受。恐怖的大火和置人于死命的浓烟让松岛舰面临烧毁沉没的危险。
然而，似乎是奇特不可理解的天意，就在此时，晴朗无风的海面，不可思议地刮起了风，吹散了炸药燃烧的毒烟。
午后4时许，日军救火队终于得以进入船舱，勉强把火扑灭。松岛旗舰终于避免了沉没的厄运。但是松岛损伤严重，完全丧失战斗力和指挥力，伊东佑亨只好挂起“不管旗”，命令各舰自由行动。伊东佑亨不得不临时将桥立改为旗舰，以代松岛。
