“致遠”號是北洋艦隊中航速最快的巡洋艦。管帶鄧世昌忠勇血誠，早在戰前他就立下誓言：“若有不測，誓與日艦同沉！”戰鬥中，他指揮全艦，奮力搏殺，“氣象猛鷙，獨冠全軍”。當日艦圍攻旗艦“定遠”時，他下令“致遠”直插“定遠”之前，以保護旗艦，結果艦體多處中彈。其中一發炮彈擊中船底，由於密艙隔門橡皮老化，無法隔水，海水洶湧而入，迅速下沉。此時，敵艦“吉野”正在船前，對“定遠”構成威脅。緊要關頭，鄧世昌抱定決死精神，下令開足機輪，衝向“吉野”，欲與敵艦同歸於盡。“吉野”驚恐萬狀，掉頭逃竄，一邊發射魚雷，將“致遠”擊沉，“全船皆殉無逃者”。據洋員馬吉芬事後回憶，當“致遠”衝向“吉野”時，敵艦所發巨彈有如雨霰，加上艦身已經嚴重傾斜，就在快要追上敵艦時，艦艏先行下沉，推進器露出海麵，猶在旋轉不已。惜哉！壯哉！
鄧世昌落水後，其護兵劉忠以救生圈付之，拒不受；左隊一號魚雷艇趕來施救，他也拒之，“以闔船俱沒，義不獨生，仍複奮擲自沉，忠勇性成，一時稱歎”。戰後，光緒皇帝親賜挽聯：
此日漫揮天下淚，
有公足壯海軍威。[416]
“致遠”沉沒後，形勢對北洋海軍越發不利。就在這時，“濟遠”管帶方伯謙看到情勢不妙，首先調頭逃跑，“廣甲”管帶吳敬榮也隨後效仿。兩艦先後撤離戰場，剩下的“經遠”孤立無援，立即遭到日本數艦圍攻。但是，管帶林永升臨危不懼，沉著應戰，日本“吉野”等四艦靠著船多炮快，死死咬住“經遠”不放。雙方激戰多時，“經遠”起火後仍奮力反擊，最後林永升中彈身亡，“經遠”也被日艦擊沉。
此時，北洋海軍隻有兩大鐵甲艦“定遠”“鎮遠”依然在堅持戰鬥。敵軍五艦如群狼一般，圍著兩艦環攻不已。他們多次試圖用重炮打穿“定”“鎮”，都沒有成功。靠著堅固的裝甲，“定”“鎮”兩艦一直與敵血戰，盡管自身損毀嚴重，還是以重炮多次擊傷敵艦，日本海軍中將伊東祐亨乘坐的“鬆島”號還差點被“定遠”打沉。[417]下午五時多，天近黃昏，眼看無法消滅“定遠”“鎮遠”，日艦隻好退出戰場。
黃海之戰前後進行了將近六個小時，打得十分慘烈。用李鴻章的話說，“為地球各國海戰向來罕有之事”。在戰鬥中，北洋海軍大多數官兵都表現出了可貴的戰鬥精神和勇氣。“超遠”管帶黃建勳、“揚威”管帶林履中、“致遠”管帶鄧世昌、“經遠”管帶林永升等都先後壯烈殉國。尤其是鄧世昌英勇成仁，“殊功奇烈”。李鴻章對此十分痛心。大清律法，失地者斬；軍艦同樣如此，失艦者死。但培養一個海軍人才來之不易，為了避免這類事今後再發生，他特地打報告給朝廷，提出“海軍戰備，首重選才”。兵船可以再買，但一將之用需培養數年。昔人得一良才，比於敵國百城。管帶鄧世昌精神可嘉，但徒死無益。他建議朝廷今後明定章程，凡軍艦損壞或沉焚，“而船上將士遇救得生，準免治罪，仍予論功”。[418]
其實，在船毀之後，拒絕施救的不僅有鄧世昌，還有“超遠”管帶黃建勳、“揚威”管帶林履中。他們都在船沉之後，自沉明誌，與船同亡。僅此一點，足以令人敬佩。然而，盡管海軍將士表現出了英勇的戰鬥精神，但北洋海軍在海戰中所暴露出的問題卻相當嚴重。毫無疑問，近代海戰是一場科技和綜合素質的較量，光靠勇氣無法取勝。此戰，北洋海軍五艦沉沒，其餘各艦也都程度不同地受到重創，而日艦僅四艦受傷，一艦未沉。這個結果令人心痛，卻並不奇怪。
應該說，黃海之戰是決定性的一戰。此戰過後，北洋海軍元氣大傷，被迫退守軍港，保船不出，而日本海軍則成功地實現了控製黃海製海權的戰略目的。李鴻章苦心製定的“保船製敵”戰略徹底宣告破產。在海軍使用上，他一再強調“不敢輕於一擲”，但結果還是未能避免。