1894年9月17日，平壤陷落后的第三天，日本联合舰队出现在鸭绿江口大东沟附近的黄海海面。这场战争日本已经期待已久，对日本来说，这是日本第一次真正有机会挑战这个强大的邻居。
联合舰队此次派出了共计12艘战舰，囊括了日本海军的全部精锐，其中有“吉野”、“高千穗”、“秋津洲”、“浪速”、“松岛”、“千代田”、“严岛”、“桥立”等8艘主力舰，日本联合舰队共有火炮268门，总兵力3916人，舰船平均航速为10.2节。
9月15日上午，北洋舰队的主力也已经抵达大连湾。北洋舰队共计有10艘主力舰，另有附属舰8艘，共计有195门火炮，总兵力2126人，平均航速为14.5节，统帅为丁汝昌。16日，丁汝昌的舰队护送一支支援朝鲜战场的登陆部队顺利登陆，然而他并不知道日本的联合舰队已经出现在不远的前方。次日上午8时，丁汝昌舰队开始返航，11时，北洋舰队和日本联合舰队相遇，丁汝昌判明为日本舰队后立即下令各舰升火、实弹，准备战斗。与此同时，日本联合舰队“吉野”号也发出了“东北方向发现三艘以上敌舰”的信号。
12时50分，北洋舰队旗舰“定远”首先开炮，紧接着“镇远”舰也开炮，发出炮弹，随后，北洋舰队各舰相继发炮，日本联合舰队在三分钟后也做出了反映，日本旗舰松岛也开始发炮还击。刹时间，双方各舰百炮一齐怒放，硝烟弥漫，海水沸腾。
尽管联合舰队在平均航速上要低于北洋舰队，但联合舰队第一游击队平均航速达19.4节，而且，联合舰队不仅在火炮数量上比北洋舰队要多，但由于联合舰队装备了为数不少的速射炮，这种速射炮的发射速度是原后装炮的六倍，也就是说，联合舰队的火力实际上相当于北洋舰队的三倍。
另外，双方战舰的保养此时也表现出明显的差异，北洋舰队由于多年懈怠，舰船维护不良，这导致一开战北洋舰队的旗舰“定远”号的舰桥竟然被自己舰船的炮火震塌，丁汝昌摔伤，信旗被毁，也就是说北洋舰队在一开战就失去了统一指挥。丁汝昌拒绝随从把自己投入内舱，坚持坐在甲板上督战。可是他只能鼓一舰士气，战斗刚开始，北洋舰队就失去了指挥。
开战后，联合舰队第一游击队4艘战舰利用航速优势对北洋舰队右翼的“超勇”、“扬威”二舰发起攻击，这两艘战舰很快相继被击中起火，退出战斗，13时30分左右，“超勇”号沉没。
此后，联合舰队和北洋舰队主力战舰开始互相轰击。
14时，联合舰队舰队主力已经与其第一游击队对北洋舰队形成夹击之势，北洋舰队腹背受敌，本来就已经失去统一指挥的队形此时陷入了困境，北洋舰队最前方的“致远”号被联合舰队“吉野”号、“高千穗”号等舰连续攻击后舰身毁损严重，已经发生倾斜。
此时，联合舰队第一游击队为支援“赤城”号和“比睿”号开始与“致远”号接近，当“吉野”号从“致远”号前经过的时候，管带邓世昌立即下令撞沉“吉野”，他希望能与其同归于尽。然而就在“致远”号向“吉野”号右舷高速航行的时候。“吉野”号一边进行规避，一边发射了两枚鱼雷，第一枚鱼雷没能击中，但第二枚鱼雷正中“致远”号，“致远”号连同其上252名官兵一起沉入大海。
随后，“经远”号继续迎战“吉野”，但也被“吉野”号猛烈的炮火打得伤痕累累，舰船上到处都燃起大火，随后，这艘战舰又被一枚鱼雷击中，管带林永升阵亡，全舰270人除16人获救外，全部殉难。
“致远”沉没后，“济远”号和“广甲”号相继撤出战队，“靖远”号和“来远”号也相继损伤严重而退出战斗。
不久，“定远”、“镇远”两舰尽管进行了殊死抵抗，但北洋舰队此时大势已去，联合舰队对剩下的北洋舰队战舰进行了集中炮击。
至下午3时30分，“镇远”30.5公分口径大炮发射的两枚炮弹击中联合旗舰“松岛”，“松岛”后甲板四号炮塔中弹后，大火引燃了装药，发生了大爆炸，这导致“松岛”船轴倾斜5度，100余人丧生。
下午17时40分，联合舰队已经完全取得了这场海战的胜利，伊东祐亨下令撤出战场。历时5个多小时的甲午海战就此结束，这场海战是第一场铁甲战舰舰队之间的大规模海战，日本由此一举奠定了对清优势，从此大清帝国在海洋上未能再取得制海权。
这次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1000余人；日本联合舰队“松岛”、“吉野”、“比睿”、“赤城”、“西京丸”5舰毁损较重，其中“西京丸”号和“赤城”号两舰被拖行后不久后沉没，人员损失约为600人。
这次海战之后，日本与大清帝国之间的地位发生了转换，原本以大清帝国为核心的东亚体系被日本取代，并且，日本因这次战争而签订了《马关条约》，条约规定朝鲜、中国台湾和山东半岛交由日本控制，日本还获得高达白银2亿3000万两的赔偿，折合美元10亿之巨，在这之后，日本经济经历了一个爆发式的增长阶段。甲午之战则成为日本崛起的一个重要转折点，对国家来说，中国由此丧失同治中兴后昙花一现的繁荣，因此再次失去了一个走向繁盛的机会，而日本则由此开始现代化进程并进入世界列强行列。