自從丁汝昌負傷後，中國艦隊實際上無人指揮，處於各自為戰的局麵，無法施展海戰隊形。在不利形勢下，“致遠”表現出了超人的膽識，“致遠”是一條航速18節的快速巡洋艦，管帶(艦長)鄧世昌作戰非常英勇，對日軍威脅很大。在日艦半包圍的形勢下，“致遠”艦受到日艦“吉野”、“高千穗”等的集中轟擊。“致遠”全身著火，拖著濃煙在大洋上穿行，但仍狠狠回擊敵艦。鄧世昌對大副陳金揆說：“倭艦專恃吉野，苟沉此艦，足以奪其氣而成事。”下令撞沉“吉野”。“致遠”艦像一條火龍向“吉野”艦撞去。日艦官兵見狀大驚失色，拚命逃竄，並向“致遠”艦連發魚雷。“致遠”艦躲過一枚魚雷後，不幸為另一枚魚雷擊中。
鄧世昌落海後，仍不斷大喊“殺敵!”他的隨從劉相思將救生圈遞給他，鄧世昌拒不接收，不斷高呼：“我們不當俘虜!為殺敵而死是光榮的啊!”他的愛犬銜住他的手臂，企圖把他拖走，被他推開，愛犬又咬住他的發辮，又被他推開。最後，他與愛犬一起，同沉海底。鄧世昌與200多名將士壯烈犧牲，以身殉國，用熱血和生命譜寫了一曲壯烈的愛國主義悲歌。
“濟遠”艦是5000噸級的鐵甲戰列艦，管帶方伯謙本是上一次海戰的逃兵，這時又被日艦猛烈炮火嚇破了膽，他以巨錘擊壞各炮，然後報“本艦重傷”，勾結“廣甲”艦管帶吳敬榮逃跑。“濟遠”慌不擇路，竟將受傷的“揚威”艦撞沉。“廣甲”艦中途擱淺，吳敬榮棄艦乘小船逃生。
中國艦隊越來越單薄。敵艦炮火集中到“經遠”艦上。“經遠”管帶林永升是留學外國的知識分子，他以愛國主義精神激勵將士英勇作戰。軍艦負傷後，林永升鼓輪撞擊日艦，不幸也中魚雷沉沒，全艦270人除16人獲救外，全部殉國。中國軍艦“來遠”號負了重傷，全艦官兵奮力控製損害，保證了軍艦浮航。
“定遠”、“鎮遠”兩艦的厚甲抵住了日艦如雨的炮彈。中國水兵在鄧世昌、林永升等愛國精神感召下，無畏地和日軍苦戰。下午3時半，“鎮遠”艦305毫米大炮擊中日旗艦“鬆島”號兩次，“定遠”乘機追擊負傷的“鬆島”，敵“吉野”等四艘艦前來圍攻“定遠”，“定遠”冒著炮火奮勇向前。“鬆島”號指揮官誌摩清直等100餘人被擊斃。“鬆島”號是1892年下水的英製快速巡洋艦，排水量4278噸，航速16節，中彈數百處後掙紮回港，但難以修複，被迫退出日海軍戰鬥序列。
中國快速巡洋艦“靖遠”號看到旗艦無力指揮，主動升旗指揮。這時，大東溝內的“平遠”、“廣丙”兩中艦也投入戰場。日艦“赤城”等三艘被“定遠”、“鎮遠”大炮轟得不知去向，戰後很久，日艦才在遠海找到它們，其中“西京丸”、“赤城”兩艦不久就沉沒了。日艦“吉野”、“扶桑”也受重傷，無力再戰。日艦“橋立”升起將旗，指揮日艦向南退去。
北洋艦隊稍事追擊，由於時已日暮，加之炮彈告竭，於是收兵返回旅順。曆時五小時的大東溝海戰結束了，中國軍艦“定遠”、“鎮遠”、“靖遠”、“來遠”和“廣丙”、“平遠”共6艘，拖著帶傷的軀體向旅順駛去。戰鬥中，中國艦隊損失5艘戰艦，但也給日本海軍以沉重打擊。
中國軍艦的廣大愛國官兵英勇作戰，不畏犧牲，表現出與外國侵略者血戰到底的氣概，連外籍顧問，甚至日本軍都承認中國水兵“可稱善戰”、“炮術極佳”。可惜極佳的炮術並未給敵艦帶來致命打擊，許多日艦連挨數炮後竟未起火。原來外國軍火商和清朝軍需官狼狽為奸，許多炮彈是內充沙子的假貨或教練彈。這說明武器上依靠外國，是不可能成為軍事強國的。