威海卫湾头有个刘公岛，北洋海军司令部就设在那里。
北洋海军原是优秀的部队，军官们受过新式训练，水兵们大都是沿海出身，习惯于大海。可是，陆军官兵不断溃逃，也影响到海军官兵的士气。
1895年2月3日，天气晴和，风平浪稳。伊东佑亨率领日本联合舰队倾巢出动，进攻威海港内的北洋海军。日舰以第一游击队警戒西口。由第二、三、四游击队列成单纵阵，驶近日岛4500米的距离，依次轮番向刘公岛、日岛及港内北洋舰队发动猛烈攻击。日本陆军也将皂埠嘴炮台上的一门28厘米口径大炮修复。南帮海岸三座炮台，配合日本联合舰队的海上进犯，以猛烈的炮火夹击港内的北洋舰队和刘公岛、日岛炮台。
北洋舰队和刘公岛、日岛守军，在丁汝昌、张文宣的指挥下，顽强抵抗，奋勇还击。双方展开了激烈的炮战。其“炮火之激烈，殊不下于黄海海战也”。
午后1时，刘公岛炮台炮火击中日舰筑紫左舷，穿透中甲板，打死日军士兵3名，打伤5名，舰体损坏。2时39分，又一弹命中日舰葛城大樯上部。双方激战终日，直至日暮。在刘公岛、日岛炮台守军和北洋舰队奋勇还击下，敌舰始终未能接近港口，最后只得灰溜溜地退走。
日舰在2月3日白天进攻失败后，伊东佑亨知道从正面用军舰进攻刘公岛，消灭北洋舰队的企图是不可能实现的。便决定利用鱼雷艇，采取夜间偷袭的手段，向北洋舰队进攻。
鱼雷艇夜战是日本海军的拿手好戏。但用鱼雷艇夜间偷袭北洋海军，也并非轻而易举。
刘公岛东、西两口封锁十分严密。东口防材系由1尺5寸左右口径，长约12尺的方圆木材并列横置，环以3条1寸3分粗细的铁索连接而成。为防止风浪及潮水冲击，防材下端，系以巨绳，锚于海底。东口防材以日岛为中心向南北延伸。南侧直达龙庙嘴、鹿角嘴之间的海岸边，长4000米。北端达刘公岛，长2000米，全长共6000米。防材南端留有狭窄通道，宽不过百米，且无航标，夜间航行极为困难。靠南岸，防材与海岸密接，无少许间隙。岸边岩石暗礁密布，不能通行。如果要强行通过，日军舰艇必须切断铁索。而铁索极为坚固，非短时间可以完成。但伊东计穷，舍此办法无他策，决定冒险一试。
1895年2月3日晚，伊东派鱼雷艇两只，偷入港内破坏防材。因港口戒备严密，未能得逞，仅切断铁索一条而退。
1995年2月4日，伊东决定派第二、三鱼雷艇队，进行夜间袭击。当夜，月落天暗，日艇以6号艇为先锋，依次为22号、5号、10号、21号、8号、14号、9号、18号、19号等共10艘，成鱼贯纵阵由阴山口出发，沿南岸边航行。通过防材时，第21号、8号、14号艇在龙庙嘴炮台附近触礁。第18号艇被防材卡住，动弹不得。其余各艇通过防材后，向右转航时，被北洋舰队警戒艇发现。警戒艇急忙发出红色信号报警，并向日艇猛烈开火。这时（5日凌晨3时50分），日本第22号艇驶至刘公岛煤库南方，发现北洋舰队军舰一艘，急忙发射鱼雷袭击。该舰发觉后开炮还击。22号艇在慌乱中退却触礁，舵机被毁，拟沿南岸出港，又被风浪所阻。5时15分，搁浅于龙庙嘴附近。时已黎明，恐遭北洋舰队炮火袭击，艇上人员只好弃艇乘舢板逃遁。因舢板过小，容纳不下，只得分批登陆。在第二次渡载时，舢板倾覆，人员落水。北洋舰队哨艇又来追击。幸有10号艇送来帆布舢板，落水日兵才得以乘舢板上陆，但海军少尉铃木虎十郎游泳上岸后被冻死，另有两名士兵失踪。
6号艇驶至刘公岛侧发现两艘清舰，正准备袭击，不料鱼雷发射管出现故障，鱼雷放射不出。北洋舰队两舰发炮猛轰，日艇负伤累累，弹痕达60余处，差点被击沉，无功而返。5号艇也被击伤退回。
9号艇随14号艇前进。14号艇在龙庙嘴触礁后，9号艇单独突过防材入港。入港后，迭遭北洋舰队哨艇袭击。该艇一意猛进。不久，在前方发现一双桅巨舰，立即向前发射鱼雷袭击。但同时，9号艇也被该巨舰炮火击中艇上汽罐。轮机部人员非死即伤。其余人员亦皆负伤，无一幸全者。由于汽罐爆炸，不能航行，幸得19号艇赶来救援，拖曳着向东口急退。北洋舰队哨艇见状，立即奋起追击。9号艇上活着的日兵，急将负伤人员移于19号艇内，来不及收容死者尸首，赶忙抛下艇体，仓皇逃命而去。
这天夜里，北洋舰队旗舰定远被偷袭的日本第9号鱼雷艇炸伤。
原来，在日本鱼雷艇入口偷袭的当天——4日清晨，丁汝昌接到日岛炮台守军报告，知昨夜敌人鱼雷艇偷入口内，破坏东口防材被击退。丁汝昌预料当夜日艇有可能前来偷袭，遂下令舰队加强戒备。5日凌晨5时30分左右，丁汝昌正在旗舰定远议事，忽见东口信号火箭数发，腾空而起。接着，哨兵报告敌艇入口偷袭。这时，各舰警钟齐鸣，炮声大作。
丁汝昌同洋员泰勒等登上甲板观察敌情。此时，定远大炮已开始射击，但不辨目标。泰勒对丁汝昌说：“如果敌艇已经闯入，必已驶过日岛以西，或已驶至我舰附近。”
为便于观察，丁汝昌下令暂停炮击。少许，哨烟散去，发现定远左舷正横约半里处海面上有一黑物驶来。未等丁汝昌下令，炮手又重新发炮轰击。泰勒奔至罗盘针台，凝眸观察，来者系一艘鱼雷艇，正向定远左舷中部高速驶进。待相距30米左右，艇向右转。在尚未来得及判明是敌艇还是我方雷艇时，来艇已被定远一炮击中。
接着，大汽罐爆裂。一缕白色烟雾，喷薄而出，划破夜空。就在同一瞬间，敌艇发出的鱼雷击中了定远。霎时间，轰然一声巨响，舰体剧烈震荡，丁汝昌急令关闭防水密门，但为时已迟。海水汹涌从升降口喷出。瞬间，军官室已积水盈尺。俄而舰体开始倾斜。
当时，丁汝昌尚不知舰体受伤程度，下令向东港口行驶。及遣泰勒查看伤漏情形后，始知舰已不能久浮。遂决定在舰体倾斜增加之前，驶至适当地点搁浅，以保安全。乃东驶至刘公岛南岸浅滩搁浅，利用舰上大炮，充实东口防御。
1895年2月5日白天，日舰继续猛攻东西两口，被北洋舰队和刘公岛、日岛炮台守军协力击退。
当夜，伊东佑亨派第一、三鱼雷艇队，再次进行偷袭。出发前，将各艇烟囱上所涂之白线，均以灰布遮蔽，以免暴露目标。当第一艇队由东口进入偷袭时，第三艇队在西口用发光信号进行迷惑，以转移守军视线。这一夜北洋舰队加强了警戒，炮台不断开炮轰击，探照灯连续向港口照射。但灯光反而使日艇得以看清北洋舰队及军舰所在位置，便利了敌方鱼雷艇运动，当夜，来远及练习舰威远、布雷船宝筏均被敌鱼雷艇击沉。来远中雷后5分钟即沉没，兵员大部殉难，得救者仅二三十人。威远死者亦多。两夜之间，北洋舰队被击沉、击伤舰船共达5艘。
由于北洋舰队在敌人鱼雷艇的两次偷袭中损失了定远、来远、威远诸舰，实力更加削弱，伊东佑亨认为全歼北洋舰队的时机已经成熟，2月6日与部下商议，决定从2月7日早7时开始，对威海卫守军和北洋舰队实行总攻。
1895年2月7日午前7时30分左右，伊东佑亨乘坐旗舰松岛，率本队及第一游击队排成单纵阵，驶至距刘公岛5000米的距离，发起疯狂进攻。刘公岛守军顽强不屈，奋勇还击。
据日方记载，清军炮火“命中极为精确，无数炮弹飞来，在我诸舰前后左右坠落。……清军异常善战，炮声轰鸣，硝烟蔽海，战斗至为激烈”。开战不久，敌旗舰松岛即被击中。炮弹由左舷舷首200米之海中跳越而来，经前舰桥，贯穿烟囱，航海长高木英次郎以次士官3人身受重伤。7时50分，桥立也被击伤。8时5分，刘公岛炮台一弹飞来，命中吉野。“击碎速射炮及第二号舢板，破坏上甲板舱室并传命管数条，死士兵2名，伤士兵4名。”秋津洲也中炮弹数发，碎片纷飞，士兵即死数名，伤数名。
在日舰本队及第一游击队进攻刘公岛炮台时，第二、三、四游击队与盘踞南帮海岸炮台的日本陆军则互为策应，夹击日岛炮台。守卫日岛炮台的仅有30名水兵，但打得十分英勇顽强。
据亲身参加战斗的洋员肯宁咸记载：“从战争开始到停止，日岛当着南岸三炮台的炮火；地阱炮升起来后，更成了那三炮台的标的。这些炮并没有附着镜子，所以升炮的人一定要到炮台上面去，结果这人立受对方炮击，这是很危险的职任；可是那些年青的水兵仍旧坚守着这些炮，奋勇发放。一次，三个水兵守着一个炮，冒着凶猛的轰击，……其中有一个因炮弹爆发，颈上、腿上和臂上三处受了伤，可是一等伤处裹好，他仍旧坚决地回到他的职守，只手助战。”
1895年2月7日这天的炮战更加激烈。日舰驶至日岛4000米的近距离处发炮。南帮三座炮台也集中炮火轰击。但是，日岛守军毫不示弱。他们在黄岛炮台及港内舰队炮火的支援下，奋起还击。炮战十分激烈，“隆隆轰响，天地震颤”。在激烈的炮战中，日舰扶桑中弹，打死士兵数名，受伤5名。筑紫被击中甲板，官兵死3名，伤5名。
上午8时左右，在双方炮战正酣之际，日军利用皂埠嘴炮台发射之炮弹，击中了日岛炮台火药库。轰然巨响，弹药库爆炸，黑烟弥漫全岛。不久，又一弹飞来，击坏一门地阱炮架，地阱炮倾倒。“这倒下来的炮，却又妨碍其他炮的使用。”接着，敌炮弹又把厨房和军官营房炸毁。炮台已不可守。丁汝昌下令放弃炮台，将守军撤回刘公岛。
2月6日夜间，丁汝昌为了回击敌人鱼雷艇的偷袭，发挥北洋舰队鱼雷艇的作用，命令左一雷艇管带王平，于7日凌晨率北洋舰队鱼雷艇队，出口袭击敌舰。但是，王平贪生怕死，竟暗中与福龙号鱼雷艇管带蔡廷千等密谋逃路。7日晨8时40分，双方炮战正在猛烈进行之际，王平突然率鱼雷艇10艘、汽船2艘，冲出西口，但他们并不是出口袭击敌舰，而是企图趁机向烟台逃路。日本舰队发现后，立即派第一游击队吉野等快速巡洋舰跟踪追击。结果，北洋舰队鱼雷艇及汽船，有的被击毁，有的触礁，有的被捕获，全部覆灭。仅少数人逃往烟台。
2月7日这一天，北洋舰队和刘公岛守军，苦战终日。虽然打退了日舰的进攻，守住了刘公岛，但却被迫放弃了日岛炮台，又损失了全部鱼雷艇。形势越来越严峻了。
2月8日，日舰不曾前来袭扰，白天平静无战事。午夜，日本第一游击队偷入东口，装置火药，通电缆爆炸防材。并用巨斧砍断铁索，将东口防材破坏400余米。于是，东口樊篱尽毁，门户洞开。
2月9日午前8时，日舰又来挑衅，刘公岛守军踊跃应战。丁汝昌亲率靖运、平远驶至日岛附近，用炮火支援刘公岛守军。不幸靖远舰被皂埠嘴炮台的日军炮火击中。丁汝昌与靖远管带得知舰体受重伤，便指挥靖远舰冲向鹿角嘴炮台，想用军舰撞毁炮台，重创日军。不料当驶近距炮台5000余米时，舰首渐次下沉。终于在8时34分高悬战斗信号沉没，丁汝昌幸免于难。
