自午後3時半至5時半為黃海海戰的最後階段。
由於北洋艦隊先後失去6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4艦。日本則尚有吉野、高千穗、秋津洲、浪速、鬆島、千代田、岩島、橋立、扶桑等9艦。雙方軍艦數量對比為4：9；噸數對比為19870：33834噸。日本艦隊力量超過北洋艦隊一倍以上。北洋艦隊處境十分困難。
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、岩島、橋立、扶桑5艦包圍定遠、鎮遠；第一遊擊隊4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、鎮二艦甚於虎豹”，心欲擊沉之而後快。此時見有機可乘，便以本隊5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，以遂其聚殲北洋艦隊於黃海的狂妄野心。
鎮遠艦上的美國人馬吉芬回憶，日軍本隊敵艦5艘將定遠、鎮遠包圍，“進行射擊，這是當天最猛烈的射擊”。
定遠、鎮遠雖被敵艦5艘團團包圍，並無懼色，他們誓死抵禦，鎮定自若。定遠艦管帶劉步蟾表現尤為出色，作戰果敢，指揮靈活。定遠航路時刻變換，敵炮不能瞄準。鎮遠管帶林泰曾、大副楊用霖指揮鎮遠艦奮擊突進，操縱自如，始終與定遠保持著互相依恃的犄角列駢陣形，與敵軍5艦周旋。在林泰曾、楊用霖指揮下，鎮遠發炮準確、靈敏，士兵恪盡職守，陣腳整齊，雖多次中彈起火，但撲救及時，有條不紊，全艦戰鬥力不減。
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國人馬吉芬記載：鎮遠12寸巨炮炮手，正於瞄準之際，忽來敵彈一發，炮手頭顱，被炸得粉碎，頭骨片片飛揚，波及附近炮員。但其他炮手毫無驚懼，即將炮手屍體移開，繼續開炮射擊。表現出臨危不懼的英雄氣概。
《日清戰史》記載了當時定遠、鎮遠二艦官兵們英勇應戰的情形：“我本隊舍其他各艦不顧，舉全部五艦之力量合圍兩艦，在榴霰彈的傾注下，再三引起火災。‘定遠’甲板部位起火，烈焰洶騰，幾乎延燒全艦。‘鎮遠’前甲板殆乎形成絕命大火，將領集合士兵救火，雖彈丸如雨，仍欣然從事，在九死一生中依然將火撲滅……”
最後徹底翻盤的機會來了，它近在咫尺，似乎是伸手可及，但是終於還是錯過走遠，失之交臂。
英勇無畏的北洋海軍，此時他們太需要擊沉一艘敵艦以鼓舞自己打擊敵人。當然如果是擊沉敵軍的旗艦鬆島號，那就相當完美了。
從一開始北洋海軍便緊緊咬住日軍旗艦鬆島號不放鬆。
此前，2時34分，“平遠發射26厘米炮彈一發，命中鬆島左舷軍官室，貫穿魚雷用具室。打死左舷魚雷發射員四名”。3時10分又中一炮，炮彈“打穿左舷中央魚雷室上部，在大檣下部爆炸。打死左舷魚雷發射員二名”。