战斗是可想而知的一边倒。三艘日舰排水量合计11075吨，装炮84门，鱼雷发射管13具。中方两舰排水量合计则仅3300吨，装炮29门，鱼雷发射管8具。而且日军在火炮射速上还占有压倒性优势。一番相互炮击之后，方伯谦匆忙下令撤退。但是，日方三舰，以吉野最快，时速可达22.5海里，其余两舰的时速也可达19海里。反观中方两舰，济远为15海里，广乙为14海里。结果，战既不利，走又不成，遂为日军追及，陷入死里求生的局面。广乙管带林国祥见形势不妙，索性驾船高速撞向岛岸，搁浅后，凿坏锅炉，纵火焚船，火烧到弹药舱，引发大爆炸，广乙从此除名于中国海军。林国祥则率残部登陆，后搭乘英国轮船回到烟台。一路追来的秋津洲，正好目睹了大爆炸的远景。正当秋津洲想驶前补炮，并掠夺人员时，忽然看到吉野发出火速归队的信号，遂放弃这条死鱼，转而加入对济远的追击。似乎，济远已难以逃脱或沉或浮的悲惨下场。但日本人却忽然犯了一个初看似乎并不太严重的严重错误。原来，高升号终于出现在了双方的视线中，随行的还有饷银舰操江号。后者运载着送给牙山守军的20万两饷银，20门火炮，3000支步枪和大量弹药。此时济远黔驴技穷，遂一面飞逃，一面升起白旗，并且停止还击。但日军照样追打不误，于是济远又升起一面日本旗，日军遂判断为或已炮弹用尽，或已决意投降，于是坪井决定：秋津洲劫操江，浪速拦高升，而由速度最快、火力最强的吉野追济远。单纯从实力上讲，这个分兵无懈可击，而且表现了日军打歼灭战的强大决心，可战争打的不仅是实力，还有运气。
正午十二点四十三分。吉野追济远不及，敌情、水文两不明，于是转舵撤退（一说是被济远的白旗迷惑，突遭中方尾炮袭击，受损后被迫撤退，撤退时还挂出了白旗和大清龙旗）。操江与高升的悲剧才刚刚开始。由于当时军舰之间还没有实现无线电联络，所以通讯手段主要是旗语。济远飞逃之际向迎面而来的高升与操江，打出了一个奇怪的旗语：将旗飞速降下。正常情况下，它意味着军舰间的致敬，现在呢？它的意思究竟是示意对方立即逃走呢，还是考虑到二者航速太慢，跑也没用，示意二者蒙混过关呢？由于当事人无记载，动机已不可考。但高升与操江却都理解成了致敬，而且由于济远上还挂着日本旗，遂被英国船长与德国顾问误当成日本军舰，汉纳根对日军的“友好”表示宽慰，两船遂继续鼓轮东行。等到发现情况不妙，已是一个小时之后了。操江掉头就跑，但八节的航速又如何甩开十九节的秋津洲？管带王永发匆忙中准备开枪自杀，一死殉国。倒是那位丹麦雇员弥伦斯临危不乱，一面烧毁密码本，一面提醒王永发烧毁丁军门给叶志超的密信，并将货物抛入大海，以免资敌。结果，前者干了，后者则已无机会。因为全副武装的日本兵已经登舰。操江及所带人货遂为日军所俘。弥伦斯因为是外国人，旋即被放，王永发以下82名清军官兵则被押回佐世保，游街示众，受尽屈辱。直到1895年8月才得以回国。相形之下，高升的情况就复杂多了。
九点一刻，浪速向高升号挂出信号：“停驶！下锚！”
高升号的英国船长高惠悌自信地认为，这是由于日本军舰没有看清高升号的国籍。于是，他命令高升号停轮，以让靠前的日本军舰看清桅杆上的米字旗。
但日本人显然没有因为这面旗帜而退缩。很快浪速又挂出第二次信号：“原地不动，否则承担一切后果！”汉纳根感到情况不妙，遂劝高惠悌迅速驶向海岸，以便于逃遁。就算不被击沉，船上的人也易于逃生。
可是，高惠悌根本没把这个德国人的警告当回事。在他看来，桅杆上的那面米字旗，胜过日本整支联合舰队。很快，浪速已占据了横对高升的阵位，并将右舷火炮对准高升，距离大约400公尺。然后日方派出军使，乘小艇登上高升号。与高惠悌略作争辩之后，便开始强行检查。这一查就看到了满舱全副武装的中国士兵。于是，日方宣称，由于中日海军已经发生武装冲突，所以日方将依据国际法相关内容，扣押高升号。
对此，汉纳根坚决反对。他指出，高升号出航时，中日并未开战，船上人员也不知情。所以日本无权扣押，而应该允许高升返回大沽。高惠悌也认为这个建议是公平合理的。但日本人的回答却非常明确：立即投降，不然开火。商轮对排水量3650吨的巡洋舰。这只能称为屠杀。固然，高升号上有近千名中国精锐步兵，而浪速号的编制人数一共才325人。但猛虎在海不在山，有劲使不上。
400公尺的距离从航程上讲当然很短，但相对于日本人的鱼雷与速射炮，无疑又很漫长，足以一路漫长到海底坟墓之中。所以高惠悌决定投降。可是，清军士兵坚决反对投降，并将船上除汉纳根之外的所有外国人都监管了起来。局面于是陷入僵持状态。日舰确实很忌惮那面英国旗，所以迟迟没有动手，直到下午一点，这个僵局才被一个意外打破。
浪速的探望兵发现了远方的三柱黑烟，并判明是军舰，但却无法确认是哪一国的军舰。
这三艘不明国籍军舰的逼近，大大搅动了浪速号舰长的神经。这位日军指挥官不是别人，正是日后因为指挥了日俄大海战而被日本海军奉为军神的东乡平八郎。此刻，他非常担心那三艘军舰是北洋水师的救援舰队。他不敢陷入以一对三的战斗，又不甘心放走高升号。结果就是下令开火。
鱼雷与炮击共同毁灭了脆弱的高升号。
转眼，海面上便飘满了求生的人群。日军向落水的欧洲人划出了小船，抛出了救生圈。对同样落水的清兵，他们却举起了步枪，旋转起速射炮。反而是过路的法舰利安门号从桅杆上救下42人，德舰伊力达斯号救起112人，英舰播布斯号救走87人。
当时高升号共载官兵1116人，除前述被救人员外，两人被日军俘虏，两人漂流至孤岛，挣扎四十余日，始“遇救来韩城”。总计生者245人，死者871人（接近于增援部队总数的百分之四十，相当于牙山原驻清军总数的百分之三十五）。汉纳根拒绝了日军的救助，泅水逃生。
高升被沉，余波不绝
那么，促成东乡下令开火的那三艘军舰究竟是属于哪个国家的呢？
说来讽刺，全部是日本军舰。它们是从仁川赶来的后续增援梯队。但高升号沉没的事实已经无法改变。
高升号事件的一个直接影响就是英日关系骤然紧张。消息传回日本，伊藤博文怒火冲天，破口大骂军人无知。相反，天津的李鸿章虽然痛心于事件本身，却寄希望于整个朝鲜危机能因此获得转机。可惜，这个转机终于未能出现。
在无政府状态的国际社会中，国际法与国内法有着根本的不同。国际法没有强制执行机构，也没有权威的、凌驾于各主权国家之上的终究裁判机构。国际法靠的是单方面的解释，以及不同单方面解释之间的协商。这个协商又不是纯法律协商，而更多的是国家间的外交与力量协商。
既然英国需要日本制衡俄国，英国就不会在英日独立的道路上走的太远。它当然希望日本能不打中国又帮助大英帝国抗俄，可是，如果日本坚决要开战，英国也绝对不会不惜代价的来阻止这场战争。这一次高升号事件最棘手的问题在于，它损伤了大英帝国的尊严，而且开启了一个非常负面的例子。如果日后其他国家都如此行事，大英帝国的权威何在？大英帝国的商贸利益和商人安全又如何保护？所谓高处不胜寒，现在英国是被自己的帝国光环给罩住了。日本要做的，就是巧妙地帮助英国从这个高处走下来。
在这一点上，日本做足了功课。他们篡改了航海日志，不惜重金聘请了国际法学名家进行辩解，表面上是想方设法证明日本有理，实则是用尽手段给英国提供一个体面下台的台阶。同时，日本政府还花费巨资疏通世界各大媒体，帮助制造同情、支持日本的舆论。至于它对大清国的不宣而战，在19世纪末的国际法学界自身也存在两种不同的意见，一派强调要宣后战。另一派则主张以双方实际爆发军事冲突为战争开始的标志。
在这一系列运作下，英国顺势下台，与日本取得了和解，转而向中国索取赔偿。经过漫长的外交拉锯，英国最终在8年后借助八国联军之战，从中国拿走了33411英镑的高升号专项赔偿。
英日和解，高升号事件的另一半影响却无法同样消失。
由于高升号的被击沉，导致了增援叶志超计划的受挫。就在联合舰队出港的六月二十一日这天，日军突入汉城王宫，一举控制了朝鲜王室，并拥立大院君主政，与日本订立同盟条约，流放闵氏诸重臣于远方恶岛。凡韩臣中之不亲附日本者，一概逐退。两天后，更逼韩王下诏，宣称“朝鲜从此为自主之国”，并单方面宣告终止对清国的朝贡，更请日兵代为驱逐牙山清军。
高升号事件3天后，4000日军在大岛混成旅团的指挥官陆军少将大岛义昌的指挥下，从汉城南下，与牙山3500余清军在成欢驿开战。日军以死37人，伤50人，合计87人的代价攻占了成欢驿。清军伤亡100余人。日军小占上风。
接下来，由于日军情报有误，错以为清军大营仍在牙山，却不料叶志超此前已经采纳聂士成的建议，将大营移往“背山面水，形势险要”的公州。这样，当日军攻克成欢驿后，立即率军疾冲牙山，哪里料到，清军主力却在与他的行军路线成直角的公州，并且业已开始绕道北撤。结果，大岛杀至牙山，看到的只是空营一座，大炮8门（重要部件已被清军在撤退前拆去，或用铁钉钉死，使其不再能够使用），大米500包，军旗几面，弹药若干箱。大岛这才知道失机。又怕中清军埋伏，遂于7月31日北返，8月5日回到汉城。
反观叶志超部，虽然跑得狼狈了一些，但总算脱离了虎口。他们由公州出发，经清州、忠州，渡汉江至厚州，再北上金化，经朔宁来到了平壤，与北路军成功会师。整个行军历时近一个月，路线呈一个巨大的弧形，穿越了大半个朝鲜半岛。沿途缺医少粮，困难重重，但终于撤退成功。在当时的环境中，堪称不易。也正是有了叶志超与平壤友军的这次会师，才为下一阶段的战略指导拉开了一个新的序幕。
