就在平壤戰役同時，日清之間還發生了在世界海戰史上著名的黃海戰役。
1.「老成之見」一北洋艦隊也奉命困守
豐島之戰前後，丁汝昌一度主張主動進攻，卻遭到李鴻章臭罵。於是，8月初，丁汝昌以「我少快炮，船行較遲」、「不可稍有疏失，輕於一擲」、只能「近顧北洋門戶為由，不進攻仁川的日軍和日方本土，以防日本海陸軍「四面抄襲」，李鴻章認為這是「老成之見」。8月 29日，李上奏:「唯不必定與拼擊，但令遊弋渤海內外，做猛虎在山之勢，倭畏我鐵艦，不敢輕與爭鋒」。
在陸軍從四路進攻平壤的同時,日軍大本營為盡快控制制海權，打通向北韓和中國大陸進攻的海路通道,也命令海軍按作戰大方針積極尋找機會與北洋海軍主力決戰。日軍集中了12艘軍艦，包括全部共8艘5000馬力以上的主力艦和巡洋艦，在大同江外海面巡弋。日本海軍中將樺山資紀還曾兩次親自乘艦前往黃海視察，海軍司令伊東佑享也曾親自率領艦隊兩次到威海衛北洋海軍基地進行摸底。【日本人的敬業精神很強。李鴻章、丁汝昌會到日本海岸去做這種軍事準備工作嗎?】
戰前，李鴻章知道北洋海軍的艦船速度和炮火發射速度不如日本，不敢主動出擊而采取近海防禦的方針。他告誡丁汝昌「不要浪戰」，要保持威懾力，使日本不敢輕易進犯渤海灣和中國海防線。這與當時的戰爭氣氛和國內外普遍認同的中國海軍優勢很不協調，朝野上下紛紛抨擊、彈劾李鴻章、丁汝昌，朝廷甚至下旨嚴令李鴻章撤換丁汝昌，北洋水師才裝模作樣地出海巡弋。
9月中旬，葉誌超得知目軍向平壤進發的訊息之後，擔心駐朝清軍力量單薄，不斷發電報請李鴻章迅速增兵，特別強調保護平壤的後路安州。李鴻章見北韓局勢越來越緊張，而各省的援軍又遙遙無期，只得一面告誡葉誌超「仍督同各軍鎮靜嚴守，勿涉張皇」，一面呼叫駐守旅順和大連的主力部隊--劉盛休的銘軍由海路增援安州，並命令丁汝昌率北洋艦隊主力護航。湖南巡撫吳大澄則自告奮勇填補威海炮台的空虛。
2.北洋艦隊與聯合艦隊
1894年9月15日上午，平壤之戰已經打響，而天津和北京方面都沒有得到訊息。北洋艦隊按原計劃，由丁汝昌率主力艦隊抵達大連，等候運兵船裝載陸軍及輜重。艦隊共計軍艦10艘，附屬艦8艘。16日淩晨1時，銘軍10營共4000人分乘5艘運兵船，在艦隊的護送下，向鴨綠江口的大東溝進發。16日中午，艦隊抵達大東溝。「定遠」等10艘軍艦停泊在港外 12海裏處,「平遠」、「廣丙」開進港中,「鎮南」、「鎮中」兩艘蚊炮船(也稱蚊子船)和4只雷艇船與運輸船一起深入港內，連夜運送兵員和物資。
17日上午8時，丁汝昌命令加緊卸兵，艦隊準備在中午啟程返航，並趁此進行上午常操。艦上的美籍海員馬吉芬寫道:「自午前九鐘起，各艦猶施行戰鬥操練一小時,炮手並復習射擊不輟。艦員中，水兵等尤為活潑，渴欲與敵決一快戰，以雪'廣乙’高升’之恥。士氣旺盛，莫可名狀。」10時30分，操練結束，各艦準備午飯。
清軍主力出港護航的訊息，被在華的美國人迅速轉告日本。日本終於等到了在中國海岸之外聚殲北洋艦隊的機會。當北洋艦隊演習常操的時候,日本聯合艦隊的12艘軍艦正迅速向大東溝方向進發，搜尋清軍艦隊，並在航行中臨陣操練。
11時許，日艦最前面的「吉野」號發出訊號:「東北方向發現3艘以上敵艦」。 旗艦「松島」上的聯合艦隊司令伊東佑亨傳令艦隊按早已演練純熟的魚貫縱陣排列-這是日軍針對清軍艦隊前炮威力強大的特點，利用自己的航速優勢和側炮優勢制定並演練的一種陣法:第一遊擊隊「吉野」、「高千穗」、「秋津州」、「浪速」4艘快速巡洋艦為前鋒，采取魚貫縱列依次銜尾前進;「松島」率領「千代田」、「巖島」、「橋立」、「比睿」、「扶桑」組成的本隊6艦繼後;小艦「西京丸」、「赤城」移至本隊左側,作為非戰鬥行列。日海軍軍令部長樺山資紀乘「西京丸’觀戰。
11時55分,北洋將領們正在吃「燒白鴿」一個將校突然沖進餐廳，說發現西南方天水線上遙遙升起幾縷黑煙,像是日本艦隊。船上將士都跑出去看,看不出更多的情況,決定邊用餐邊商量，同時為輪機的蒸汽鍋爐生火準備。
等看清來船時,軍艦上掛著美國國旗。丁汝昌等了望來勢,估計為日本艦隊,命令各艦做好戰鬥準備。馬吉芬寫道:「中日啟釁之後，我艦隊員無不銳意備戰。有鑒豐島一役'濟遠’、''廣乙’之覆轍各艦皆將舢板解除，意在表示軍艦之命運即乘員之命運，艦存與存，艦亡與亡。此外，與戰鬥無益之木器、索具、玻璃等項，悉行除去無余。各艦皆塗以深灰色，沿艙面要部周圍積置沙袋，高可三、四英尺。通氣管及通風筒鹹置之艙內，窗戶與防水門概為鎖閉。凡有乘員俱就彈頭署，戰鬥喇叭余響未盡，而戰鬥準備業已整然。」
北洋水師提督丁汝昌、右翼總兵劉步蟾、德國籍總教習漢納根、英藉顧問泰勒都先後登上旗艦「定遠」號的艦橋，一面密切註視來艦動向，一面商討對策。
到12時20分，來艦逐漸接近，已能清晰分辨出對方為12艘軍艦。雙方艦隊距離越來越近，來艦快進人大炮射程時，突然將星條旗換成太陽旗。
這時，清軍參戰軍艦10艘共31000噸，日本海軍參戰軍艦12艘共38000噸。【另:【甲午悲歌】稱，清軍共16艦，日軍14艦。【清史演義】稱:清艦共12艘，「定遠、鎮遠最大;致遠、靖遠、經遠、來遠、濟遠、平遠次之;廣甲、廣丙、超勇、揚威又次之」;日本軍艦共11艘，從大同江出發。】
清軍海軍的特點是:艦只較老、艦體大、甲板厚、艦速慢、大炮多快炮少。其中「定遠」、「鎮遠」兩艦排水量均為 7430噸，有多層裝甲，是遠東數一數二的鐵甲戰列艦，它們的缺點是航速較慢，僅14.5節。日艦大多是下水不久的新船，航速高，火炮射速快。專門為對付「定遠」、「鎮遠」而於1892年剛從英國購置的「松島」艦，裝備了320公釐的大口徑炮。顯然，中日海軍艦隊各有長短，日軍略占優勢，主要硬體並不懸殊，難分高下。另外6艘艦艇為炮艦「鎮南」、「鎮中」和魚雷艇「福龍」、「左一」、「右二」、「右三」。【黃:清方戰艦，實際上共計18艘!】
丁汝昌等斟酌日軍來勢，議定發揮「定遠」、「鎮遠」兩艘巨型主力艦的優勢，將港口外的10艘軍艦分成五隊:旗艦「定遠」和「鎮遠」兩艘巨艦為第一隊，分居前面左右;「致遠」、「靖遠」為第二隊，在左側;「經遠」、「來遠」為第三隊，在右側;「濟遠」、「廣甲」為第四隊，在左,「超勇」、「揚威」為第五隊，在右。整個艦隊以「分段縱列」的「犄角魚貫陣」夾擊之勢迎戰。
【附:英國人泰勒在【甲午中日海戰見聞記】中講述，劉步蟾臨陣慌亂，在實際下命令時錯發「橫列」訊號，使隊形成為「定遠」居中，其余軍艦居其兩翼，加上清軍兩翼弱艦航速慢，結果整個艦隊變成半月形的所謂「人字陣」(各資料說法不一，也稱「雁行陣」、「犄角雁行小隊陣」、「夾縫雁行陣」等)投人戰鬥。
泰勒的說法，晁然有嚴重貶低甚至打擊劉步蟾之意。由於英國人曾為奪取北洋軍權一事與劉步蟾發生原則性爭執，加上後來劉步蟾死因可疑，此說真實性有待專家考證。
另:【甲午戰史】中稱清軍艦隊為「V型陣」，與同一資料中「定遠」居中的說法矛盾，疑為該資料將「倒V字型」的「人型」、「半月型」誤解為「V字型」。】伊東用望遠鏡遠遠地看到，清軍艦船上「兩臂裸露而呈淺黑色的壯士，一夥一夥地佇立在大炮旁，正準備著這場你死我活的決戰」。他怕一向對日本海軍缺乏信心的水兵臨戰畏懼，特別下令準許「隨意吸煙，以安定心神」。
3.一鳴驚人一亞洲第一艦的第一炮
雙方艦隊接近到1萬米時,以魚貫縱陣前進的日軍艦隊第一遊擊隊提高航速脫離本隊，向右前方進擊。原來，日軍見北洋艦隊的陣型莫名其妙，決定避開「定遠」和「鎮遠」兩艘巨艦，從較薄弱的右翼著手攻擊。於是，日本艦隊反而演變成夾擊陣勢。丁汝昌急忙下令全艦隊向右移動4度，讓主力二艦帶頭迎敵。
中午12時50分，雙方艦隊距離在五、六千米時，劉步蟾便下令「定遠」號上射程只有 5000公尺的大炮開火。「定遠」的第一炮，也是全隊發動進攻的訊號。緊接著，「鎮遠」艦和北洋各艦也紛紛發炮轟擊。炮彈在距離日艦更遠的地方墜入海中，激起的僅僅是浪花。
更令人哭笑不得的是，當時正在指揮塔上了望的北洋海軍提督、全北洋艦隊實際統帥丁汝昌所站的飛橋被突然開火的大炮震塌。結果日軍還沒開炮，清軍旗艦就因第一炮的震動而使指揮台坍塌，並且站在上面的主帥丁汝昌和英國人泰勒都因被「拋墮艙面」而受傷。丁汝昌拒絕進入內艙休息，堅持坐在甲板上協助指揮。
英國人泰勒在其【甲午中日海戰見聞記】稱，代替其指揮的管帶總兵劉步蟾驚惶不已，德國顧問漢納根勸其人倉休息，自己代為指揮。不久，劉步情緒稍穩，復出指揮，堅持到戰事結束。【1.不少國內著作都有遠距離開炮、天橋飛落之說，該說源頭似出於英國人泰勒之【甲午中日海戰見聞記】。此事疑點不小，為一重要史謎，甚至不排除該天橋在戰前或戰時被泰勒蓄意破壞的可能性。2.清軍兩主力艦的火炮射程遠於日艦，射速卻不如。如果遙擊的命中率不太低，遙擊是正確的，但射程短的炮不應胡亂開火。】
不過，這一切日軍當時並不清楚，日方「高千穗」艦還產生了誤解:「'定遠’的炮座吐出一團白煙，轟然一聲巨響，其 30.5厘米的巨彈沖開煙霧，飛過日艦頭頂，落在駛在最前面的吉野艦側100公尺處,海水頓時騰高數丈……是為黃海海戰第一炮聲,蓋此炮聲喚起三軍士氣也。」(橋本海關:【清日戰爭實記】)【日本人之說與泰勒所言有微妙差異。】
4.傷敵四指，自斷一指
-黃海戰役上半場
日艦開始發炮還擊。對仗之後,「吉野’等4艦橫越北洋艦隊前方，利用航速優勢集中火力圍攻右翼的「超勇」和「揚威」英國為日軍裝備的阿姆斯壯120公釐速射炮威力極大，交戰不多久，「超勇」「揚威」兩艦就中彈起火，很快「超勇」艦傷重沈沒。【黃:日軍利用艦多、快、射速快的優勢，施行田忌賽馬之計。】
「定遠」、「鎮遠」則攔腰切斷日本艦隊後衛的「比睿」、「扶桑」、「西京丸」、「赤城」4弱艦，給予猛烈打擊。敵艦紛紛中彈起火，均負重傷,「西京丸」很快被迫離開戰列。第一回合戰鬥，雙方集中火力打擊弱艦，各有傷殘，勝負難分。
日本的前鋒4艦看到本隊被截，急忙左舵回轉，援救「赤城」。以「松島」號為首的日本核心隊則打右舵，沿著清軍艦隊火力漸弱的右翼切入清軍艦隊後方。日本海軍則一致保持第一遊擊為一隊、本隊為一隊的基本戰鬥隊形，充分發揮其側舷火力，左右環行清軍艦隊夾攻。
如果北洋艦隊能集中火力將這4艘日軍弱艦擊沈,至少可以打成平局。可是丁汝昌負傷後，中國艦隊實際上已經指揮不靈,「超勇」的沈沒更加劇了慌亂。開戰半小時內,旗艦上的訊號旗已經毀壞，整個艦隊變得群龍無首、各自為戰，無法保持海戰隊形和施展戰術，逐漸被動，陷入日艦之中。
在失去指揮的不利形勢下，清軍各艦官兵英勇作戰，連外籍顧問甚至日本軍都承認清軍水兵「可稱善戰」,「炮術極佳」。可惜極佳的戰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，許多炮彈是內充砂子的假貨或教練彈，真正有殺傷力的實彈不多。1時30分左右，大東溝內的「平遠」、「廣丙」和魚雷艇「福龍」號出港參戰。
