當定遠、鎮遠與敵人本隊5艦鏖戰的時候，來遠、靖遠也在奮力抗擊日本第一遊擊隊吉野、浪速、秋津洲3艘快速巡洋艦的瘋狂進攻。在敵我力量相差懸殊的極困難條件下，來遠、靖遠臨時結成姊妹艦，保持互相依恃的戰鬥隊形，以寡敵眾，奮力抵抗。在敵艦的優勢炮火下，“苦戰多時”，兩艦均受重傷。“來遠艙內中彈過多，延燒房艙數十間，靖遠水線為彈所傷，進水甚多”。來遠後部中彈起火，烈焰熊熊。尾炮被毀，隻有首炮應戰。火災又延及彈藥庫，子彈四射。機艙被濃煙充塞，輪機兵俱被煙熏得頭昏目迷。全艦將士冒著高溫炙熱，堅守戰鬥崗位。經全員奮戰，終將火災撲滅。士兵犧牲十餘人。海戰結束，當來遠順利“駛回旅順口之際，中西各人見其傷勢沉重，而竟安然返旆，無不大奇之”；無不讚歎其“行船之妙”。靖遠亦中彈數10處，前後3次火起，經全體人員奮力撲滅。
來遠、靖遠為了撲滅火災和修葺補漏，且戰且退。退至大鹿島附近，立即背靠沙灘，占據有利地形，一麵奮力滅火搶修；一麵用艦首主炮轟擊敵艦。日本第一遊擊隊諸艦害怕擱淺，不敢駛近淺灘。又受二艦艦首重炮威脅，不能靠近，隻好以炮火遙擊，從而喪失了快速巡洋艦的機動作用。這樣，來遠、靖遠不僅贏得了救火和修補的時間，又吸引住日本第一遊擊隊，分散了敵軍的兵力，減輕了敵艦對定遠、鎮遠的壓力。
定遠和鎮遠兩艘主力艦艇被日軍5艘戰艦包圍，拚死戰鬥，但實在已經是麵臨極其危險的局麵，因為此時兩艦艇上的炮彈隻夠打15分鍾了。
堅持到最後，就是勝利！因為此時日本聯合艦隊也同樣支撐不住了。
近5個小時血與火的死亡之戰，定遠和鎮遠兩艦均中彈數百枚。據稱二艦共中重炮彈370餘枚，艦體千瘡百孔，彈痕遍布。日方的統計數據是，定遠一艦獨中輕重炮彈即不下2000枚。
敵人以密集速射炮火將兩艦表麵的各種設施全部破壞摧毀。厚重的裝甲是它們堅持的法寶。日軍炮火10寸巨彈，終隻能穿甲5寸，都沒有擊中它們的要害。艱難而漫長的血戰之後，定遠和鎮遠兩艘主力艦艇依然巍然屹立。
如此的血戰真是慘烈之至。服務於定遠的英人泰勒因此兩耳鼓被震破而終生重聽，如此可以想象北洋海軍的官兵們承受了怎樣的壓力。
鬆島艦內腹部受了重傷的三等水兵三浦虎次郎歎息而不解：“定遠艦怎麼還打不沉啊？”
當時在遠東觀戰的英國中國艦隊司令菲利曼特爾後來高度評價了定遠和鎮遠艦的價值。他認為正是因為有了定遠和鎮遠這兩艘鐵甲艦，此戰日軍才不能夠徹底消滅北洋海軍。
戰鬥進行至午後5時左右，伊東佑亨見“比睿、赤城和西京丸不知去向，先鋒隊亦遠遠離開了本隊”，情況不明。本隊五艦中，扶桑先已受創；鬆島完全喪失作戰能力；千代田、岩島、橋立雖受傷略輕，但此三艦決非定遠、鎮遠對手。且鬆島受傷後，日軍士氣低落，鬥誌渙散，實已“無力再戰”。
下午5時，黃海飄散出黃昏氣息，日本聯合艦隊突然掉轉隊形，開始返航。日本聯合艦隊司令伊東佑亨深恐天黑難防北洋海軍魚雷艇襲擊，終於不敢戀戰，主動收隊而逃。
連續5個小時的海戰，並非毫無間斷地互相應酬炮彈。其間也有過數次的10分或15分鍾的休止時間。日本艦隊掉頭返航之前停止了炮擊，開始時北洋艦隊還以為這是日本艦隊的暫停。
日本艦隊的艦影逐漸遠去，鎮遠艦上的美國人航海術教官馬吉芬喃喃地說道：“日本艦隊炮彈也打光了……”
看到日本艦隊逃竄，北洋海軍官兵們精神大振，代替丁汝昌直接指揮海戰的劉步蟾，居然命令戰艦追擊日本海軍。當然，是不可能追上的，速度的優劣我們早已不止一次地說到。所以追了數海裏之後，越追越遠，終於收隊而歸，返回大連灣。
這場黃海血戰也終於結束了。塵埃終於落定。
此戰的結果是，北洋艦隊傷亡800餘人，損失超通、揚威、致遠、經遠、廣甲5艦，其餘各艦也程度不同地受到損傷。日本海軍聯合艦隊傷亡300餘人，參戰各艦均受損傷，其中旗艦鬆島完全喪失了作戰能力，西京丸也幾乎被擊沉，吉野、比睿、赤城遭到重創。
北洋艦隊雖然擊退了日本海軍聯合艦隊的瘋狂進攻，並予以重創，但自己損失較重；日本海軍聯合艦隊損失較小，卻未能實現其“聚殲清國艦隊於黃海”的既定目標，並先行退出戰場。
那麼這場戰爭誰是最後的勝利者？
一般的說法，都是說日本海軍聯合艦隊是戰勝的一方。
但是，占盡優勢，擊沉我戰艦數艘的日本艦隊，卻鼠竄而逃！
日本艦隊勝利了嗎？勝利了那麼幹嗎還被追著逃？
所以，北洋海軍能堅持到最後，就是勝利！勝利其實是屬於他們的！