自午後3時至5時半為黃海海戰的最後階段。
由於北洋艦隊先後失去六艦，因而在最後階段的海戰戰場上，堅持戰鬥的隻有定遠、鎮遠、來遠、靖遠四艦。日本則尚有吉野、高千穗、秋津洲；浪速、鬆島、千代田、嚴島、橋立、扶桑等九艦。雙方軍艦數量對比為四比九；噸數對比為一萬九千八百七十噸比三方三千八百三十四噸。日本艦隊力量超過北洋艦隊－倍以上。北洋艦隊處境十分因難。但是，定遠、鎮遠等四艦全體愛國官兵，麵對優勢敵人，毫無懼色。他們堅持戰鬥，力挽危局，誓與敵人血戰到底。
海戰第三階段一開始，日本艦隊以本隊之鬆島、千代田、嚴島、橋立、抉桑五艦包圍定遠、鎮遠；第一遊擊隊四艦則進攻來遠、靖遠。實際上形成了兩個戰場。定遠、鎮遠是當時世界各國海軍中罕見的大型鐵甲艦，裝甲厚、噸位大、炮火重，利於防禦；日本艦隊平素“畏定、鎮二船甚於虎豹"，必欲擊沉之而後快。此時見有機可乘，便以本隊五艦將定遠、鎮遠團團圍住，進行猛烈攻擊。"藥彈狂飛，不離左右"。妄圖一舉將兩艦擊沉，以遂其"聚殲清國艦隊於黃海"的狂妄野心。定遠、鎮遠雖被敵艦五艘團團包圍，並無懼色，它們"誓死抵禦，不稍退避"。定遠艦管帶劉步蟾"表現尤為出色"，作戰果敢，指揮靈活。行船時刻變換，敵炮不能取準"。鎮遠管帶林泰曾、大副楊用霖指揮鎮遠艦"奮擊突進，操縱自在，始終與定遠保持著互相依恃的犄角駢列陣形，與敵軍五艦周旋，在林泰曾、楊用霖指揮下，鎮遠"開炮極為靈捷，標下各弁兵亦皆恪遵號令，雖日彈所至，火勢東奔西竄，而施救得力，一一熄滅"。在艱苦的戰鬥中，湧現出許多英雄人物和感人事跡。據在鎮遠參加戰鬥的美人馬吉芬記載：鎮遠"十二吋巨炮炮手某，正於瞄準之際，忽來敵彈一發，炮手頭顱，逐為之掠奪爆碎，頭骨片片飛揚，波及附近炮員，而(其他)炮手等毫無驚懼，即將炮手屍體移開，另以一人處補照準，賡續射擊。鎮遠炮術長幼弟某，來艦訪兄，因戰機迫切，未即離艦，遂應兄勸，配備於露炮塔上服務，熱心勇猛，毫無懼色。戰鬥中，炮術長身負重傷，扶入艙中，弟向乃兄略事安慰，仍歸原處服務。是役，該炮塔人員，除乃弟外，無不傷亡"。就這樣，定遠、鎮遠在敵強我弱的極困難條件下，繼續"與倭各艦相搏，曆一時許，巨炮均經受傷。定遠隻有三炮，鎮遠隻有兩炮，尚能施放"。同時"火焚數次"，但廣大愛國官兵"一麵救火，一麵抵敵，始終不懈。
北洋艦隊方麵，此時"靖遠、來遠修竣歸隊，平遠、廣丙、魚雷各艇亦俱折回"。靖遠知定遠桅樓被毀，無從指揮，遂主動代替旗艦定遠升旗集隊。諸艦畢集，軍威重振。集合後定、鎮、靖、來、平、丙六艦相距各八、九米，魚貫東行"尾追敵艦十餘裏，準備與敵再戰。但時已日夕，暮色蒼茫。日本艦隊懼怕定遠、鎮遠諸艦會合魚雷艇進行襲擊，不敢再戰。開足馬力"向西南一帶飛駛遁去"，瞬息已遠。北洋艦隊也收隊駛回旅順。至此，曆時五小時的激烈海戰，宣告結束。
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