“吉野號”衝在最前麵，正遇上全身著火的“致遠”艦。鄧世昌見吉野恃其船捷炮利，橫行無忌，憤而說道：“倭艦專恃吉野，苟沉是船，則我軍可以集事。”決意與之衝撞，同歸於盡。鄧世昌毅然全速撞向日本主力艦“吉野”號右舷，日本官兵見狀大驚失色，集中炮火向致遠射擊，致遠艦右側魚雷發射管被擊中，引起大爆炸，3時30分，以右舷傾斜，在東經123度34分，北緯39度32分的黃海海麵上沉沒。全艦官兵除七名遇救外，其餘自鄧世昌以下全部壯烈殉國。。（此說法最接近事實，致遠艦衝向吉野號，有可能就是為了使用魚雷攻擊。也有另外的說法是致遠艦是被日艦火炮擊沉，戰前北洋水師已經把魚雷拋入海中。）
“經遠”繼續迎戰“吉野”，遭吉野、浪速、秋津洲、高千穗四艦圍攻，中叢彈起火，全艦奮勇抗禦，經遠全艦將士“發炮以攻敵，激水以救火，依然井井有條”。經遠艦以一敵四，拒戰良久。激戰中，管帶林永升不幸“突中炮彈，腦裂陣亡”，幫帶大副陳榮和二副陳京瑩也先後中炮犧牲。最後在浪速、吉野、秋津洲、高千穗的圍攻下經遠艦中彈累累，不久，“左舷艦首向水中沉下”，在東經123度40分7秒，北緯39度51分海麵上，艦首向東，左舷傾覆而沉沒。全艦官兵二百餘人，除十六人遇救外，其餘全部陣亡。
“致遠”沉沒後，“濟遠”管帶方伯謙、“廣甲”管帶吳敬榮，臨陣脫逃（方伯謙等是否臨陣脫逃，有不同看法）。“靖遠”、“來遠”因中彈過多，退出戰鬥，避至大鹿島附近緊急修補損壞的機器。
定遠、鎮遠兩艦浴血奮戰，中彈甚多，幾次起火。下午3時30分，鎮遠艦的30.5公分大炮連續擊中日本旗艦“鬆島”號二次。鬆島後甲板四號炮塔中彈後，火焰引發炸藥，發生了大爆炸。鬆島船軸傾斜5度，冒起白煙，火災大作。
不久，靖遠、來遠搶修完畢，重新投入戰鬥。日本軍艦赤城、比睿、西京丸負傷，旗艦“鬆島”情況也不容樂觀，“吉野”、“扶桑”也受了傷，又見北洋艦隊重新集隊，伊東祐亨便於17時40分左右下令撤出戰場。
北洋艦隊稍事追擊，也收隊返回旅順。曆時5個多小時的黃海海戰到此結束。海戰的結果：北洋艦隊損失“致遠”、“經遠”、“超勇”、“揚威”、“廣甲”（“廣甲”逃離戰場後觸礁，幾天後被自毀）5艘軍艦，死傷官兵千餘人；日本艦隊“鬆島”、“吉野”、“比睿”、“赤城”、“西京丸”5艦受重創，死傷官兵600餘人。此役北洋水師雖損失較大，但並未完全戰敗。然而李鴻章為保存實力，命令北洋艦隊躲入威海港內，不準巡海迎敵。日本奪取了黃海的製海權。
黃海海戰自1894年9月17日12點50分海戰打響，至下午5點半結束曆時5個多小時，其規模之大，時間之長，為近代世界海戰史上遠東戰區所罕見。