面对强大的日本舰队，蔡廷干毫不畏缩，指挥属下艇队，把日方军旗舰舰松岛从舰队编队中分割开来，自己指挥福龙号向西京丸发射鱼雷，由于距离太远而没有命中。面对敌舰猛烈炮火的射击，蔡氏昂然挺立在指挥台上，下令福龙号全速衔尾向西京丸急进。当逼近敌舰约三十米时，西京丸连发三枚鱼雷，福龙号转舵避开。其后，福龙号立即折回，全速冲向西京丸舰首，又发射出一枚鱼雷。谁知鱼雷竟然从舰底穿过，其他将校也相对默然。但是因为距离太近，鱼雷从舰下穿过，未能触发，西京丸得以保全，向南驶离战场。无奈鱼雷已经用完，福龙艇遂全速退出战斗。中途救起不少堕海飘浮的北洋海军将士。
此时，小日本舰队还剩九舰，与北洋舰队的八舰相对。第一游击队已经迂回到北洋舰队的背后，与本队策应夹攻，使北洋舰队首尾难以相顾。由于日舰以排炮击毁定远的信号装置，使北洋舰队指挥失灵。
北洋舰队诸小队此时只能各自为战，队形也凌乱不整，但将校用命，士气未减。丁汝昌负重伤不能站立，裹伤后始终坐在甲板上激励将士。
这时定远舰腹忽中一炮，猛烈的火焰从炸开的洞口喷出，定远忙集中人力灭火，攻势转弱而火势不减。日舰第一游击队趁机靠近攻击，镇远、致远见此情形，急速向旗舰靠拢，迎战日舰。定远的火灾最终得以扑灭，但致远舰却中弹累累。下午三半，数颗炮弹同时命中其水线鱼雷舱，并引起爆炸，右舷随即大量进水倾斜，见此情形，管带邓世昌依然指挥若定，下令军舰撞向吉野。奈何吉野慌乱之中发射了一枚鱼雷击中致远舰首，加速了舰首的下沉，最终使得致远舰大头朝下沉没大海。
邓世昌落水后，拒绝接受救生圈，鱼雷艇左一也来救助，却被拒绝，其爱犬游到身边咬着他的手臂，想将他拖回救援船上，反被他用力按入水中，自己也随之沉没。全舰二百五十余名中外官兵，除七人获救外，全部葬身大海。战后，邓世昌的壮烈殉国震动了朝野，光绪帝亲笔赐挽联‘此日漫挥天下泪，有公足壮海军威’，又作诗一首：‘城上神威炮千斤，枉资剧冠挫我军，后来无道终许汝。’
致远沉没后，位于北洋舰队左翼外侧的济远、广甲二舰就变得孤立于本队了。开战后，济远数次中炮，伤亡十余人，由于前不久被吉野追命的打，管带方伯谦此刻怕的要命，况且军舰只是简单的修理了一下，根本无法抵得住敌舰的再度轰击，于是便挂出“本舰重伤”信号，不料他看见致远沉没，吓的连忙转舵向西驶离战区，于半夜两点反回到旅顺港。广甲管带吴敬荣见济远逃跑，心想：‘我是南洋的人，被你们强扣下，本来就不想打仗，如今队长都跑了，咱也跟着跑吧’，于是也跟着跑路，可惜慌不择路，船底触礁搁浅。随即放下小船划回旅顺。
济远、广甲逃离后，第一游击队死死咬住经远一舰，四面围攻。经远以一抵四，毫不畏惧，拼死抵抗。林永升，左翼左营副将，经远号管带同左翼左营守备陈京莹协同御敌救火，毫不畏惧，表现极为出色，激战中，管带林永升头部中炮牺牲，随后帮带大副陈荣也中炮壮烈牺牲，接着陈京莹接替指挥，全舰将士戮力奋战，不久陈京莹也中炮阵亡，陈京莹牺牲后，经远水兵在没有指挥官的情况下仍然坚持作战。此时，四艘日舰逼近到二千米以内，用速射炮实施近距离打击，终于将经远击沉。全舰二百七十余人中，除十六人获救生还外，其余全部遇难。
至此北洋舰队二主力舰沉没、二舰逃走，只剩下定远、镇远、靖远、来远四艘主力舰；小日本舰队一舰重伤逃脱，尚有九艘战舰。日本方面跃居绝对优势。
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