北洋水师在操练时极少进行编队作战训练。清朝对日宣战后，北洋水师奉李鸿章之命，在威海至朝鲜大同江口一带巡弋，试图用 “定远”“镇远”两艘巨型铁甲舰震慑日本海军。七月十日，日本联合舰队已迫近威海，光绪帝斥责北洋水师提督丁汝昌 “畏葸”，李鸿章被迫令丁汝昌率舰队出海迎敌。日本联合舰队则派出反应迅速的游击分队在威海、旅顺等处进行骚扰试探，每次放一阵空炮后便逃遁。因此，李鸿章、丁汝昌等人认为日本海军不敢轻举妄动。但光绪帝却判断日舰 “难保不乘我之懈，再来猛扑”，指示丁汝昌将北洋水师的防御重点从朝鲜海面转移到威海、烟台、旅顺和大连湾等地，从而巩固京师安全。李鸿章也提出 “严防威旅门户，为保船制敌之计”。而日本联合舰队的作战策略是以快速游击分队从鸭绿江口向北搜寻北洋水师主力，以求决战。
八月十三日，北洋水师十二艘主力舰从威海出发，护送陆军四千人赴鸭绿江口的大东沟登陆，目的是增援平壤。但援兵护航编队尚在途中，李鸿章就接到了平壤战败的消息。八月十七日，也就是平壤被日军占领当天，北洋水师援兵护航编队抵达鸭绿江口的大东沟。两艘舰艇担任警戒，其余十艘在鸭绿江口外十二海里的大鹿岛东南抛锚。次日早晨八时许，运兵船卸载完毕，准备返航。十时二十三分，日本联合舰队第一游击队发现了北洋水师的舰艇，发出信号 “东北方向发现三艘以上敌舰”。
十时三十分，返航中的北洋水师 “镇远”舰桅楼上的哨兵发现了日本舰队。十二时五分，日本联合舰队第一游击队在先，本队第一分队在后，呈单纵阵接近北洋水师编队。十二时二十，北洋水师编队在行进中由双纵阵改为横阵，旗舰 “定远”号位于中央，其余各舰在其左右两翼展开，编队呈楔形梯队。提督丁汝昌发出命令：“各小队须协同行动，始终以舰艏向敌；诸舰务于可能之范围内，随同旗舰运动之。”在鸭绿江口外海大鹿岛海域，中日两国集中了几乎全部海军主力舰艇，形成以横对纵阵势。
十二时五十分，双方编队相距五千三百余米，北洋水师旗舰 “定远”号首先开炮。日本联合舰队第一游击队在距北洋水师编队五千米处即向左转弯，驶向北洋水师编队右翼。日本联合舰队本队驶向北洋水师编队左翼，冒险暴露于北洋水师编队阵前。随即，日本联合舰队旗舰 “松岛”号发炮，“定远”号主桅中弹，信号索具被炮火摧毁，在飞桥上督战的丁汝昌身负重伤，旗舰无法指挥，各舰只能跟随 “定远”号进退。
十三时左右，日本联合舰队第一游击队炮击北洋水师编队右翼的“超勇”“扬威”两舰。约二十分钟后，“超勇”“扬威”号起火。北洋水师编队对位于左翼的日本联合舰队本队 “比睿”“扶桑”“赤城”号进行打击，“比睿”“赤城”号受重创。日本联合舰队第一游击队左转，救回两舰；本队右转，形成夹击阵势。一小时后，日舰 “西京丸”号中弹起火，退出战场。北洋水师 “超勇”号沉没，“扬威”号被重创驶离战场搁浅。
十四时三十分，北洋水师 “平远”号命中日舰 “松岛”号，也被其所伤并引起大火，暂时退避。之后，北洋水师旗舰 “定远”号中弹起火，剩余各舰各自为战。日本联合舰队第一游击队集中打击北洋水师突前的 “致远”号巡洋舰及其后面的 “济远”“广甲”二舰。“致远”舰管带邓世昌在已无炮弹的情况下准备撞击日舰，被日舰击中沉没。“济远”“广甲”号在 “致远”号沉没后，径直驶回旅顺。十五时三十分，日本联合舰队旗舰 “松岛”号被击中，并引起甲板上的弹药爆炸。
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