1894年9月15日上午，北洋艦隊的主力，計軍艦10艘，附屬艦8艘，在丁汝昌率領下到達大連灣。
淩晨1時，銘軍的十個營共四千人分乘五艘運兵船，向鴨綠江口的大東溝進發。
中午，艦隊抵達大東溝（今遼寧省東港市），到次日早晨，軍隊全部登陸。
9月17日上午8時，運兵船卸載完畢。
9時，北洋水師定遠號旗艦上掛出龍旗開始返航。
10時23分，日本聯合艦隊第一遊擊隊率先發現了北洋水師。便掛出“東北方向發現三艘以上敵艦”的信號旗。
10時30分，北洋水師鎮遠艦桅樓上的哨兵看到西南方向海麵上有幾簇黑煙，發現日本艦隊。丁汝昌隨即命令各艦升火、實彈，準備戰鬥。
12時05分，日本聯合艦隊第一遊擊隊在先，本隊在後，呈單縱陣，接近北洋水師。
12時20分，北洋水師在行進中由雙縱陣改為橫陣，旗艦定遠位於中央，其餘各艦在其左、右依次展開，艦隊呈楔形梯隊。同時丁汝昌還發出命令：“各小隊須協同行動；始終以艦首向敵；諸艦務於可能之範圍內，隨同旗艦運動之。”
12時50分，雙方艦隊相距5300米，北洋水師旗艦定遠艦首先開炮。聯合艦隊第一遊擊隊在距北洋水師5000米處即向左轉彎，航向北洋水師右翼。聯合艦隊航向北洋水師右翼，冒險將艦隊暴露於北洋水師陣前。十秒鍾後，鎮遠艦也發出炮彈，緊接著，北洋艦隊各艦一齊發炮轟擊。三分鍾後，日本旗艦鬆島艦也開始發炮還擊。
12時53分，聯合艦隊旗艦鬆島開始發炮還擊。定遠主桅中彈，信號索具被炮火所毀（一說因戰船老朽發炮時震塌飛橋），在飛橋上督戰的丁汝昌身負重傷。刹時間，雙方各艦百炮一齊怒放，硝煙彌漫，海水沸騰。
戰鬥開始不久，北洋艦隊旗艦“定遠”艦由於下水12年，7年未修，主炮炮塔起火，丁汝昌燒傷，信旗被毀（一說為被日軍艦炮擊中）。丁汝昌拒絕隨從把自己抬入內艙，堅持坐在甲板上督戰。日第一遊擊隊4艦利用航速優勢繞攻北洋艦隊右翼“超勇”、“揚威”，二艦相繼被擊中起火，退出戰鬥。日艦“吉野”也被北洋艦隊擊中起火，但很快被撲滅。13時30分左右，“超勇”沉沒，管帶黃建勳落水，“左一”魚雷艇駛近相救，拋長繩援之，黃建勳不救，從容死難，艦上官兵也大部壯烈犧牲。當日本第一遊擊隊繞攻北洋艦隊右翼時，本隊也與北洋艦隊主力交相攻擊。日本軍艦“比睿”、“赤城”、“扶桑”、“西京丸”遭到北洋艦隊截擊。
“定遠”、“來遠”、“經遠”重創日艦“比睿”、“赤城”。“赤城”艦長阪元八太郎陣亡。“西京丸”也受重創。14時15分左右，日本艦隊繞至北洋艦隊背後，與第一遊擊隊形成夾擊之勢。北洋艦隊腹背受敵，隊形更加混亂。在混戰中，北洋艦隊一直衝殺在前的“致遠”艦受到“吉野”、“高千穗”等的集中轟擊，多處受傷，船身傾斜。伊東祐亨令第一遊擊隊救援“赤城”、“比睿”。