就在平壤战役同时，日清之间还发生了在世界海战史上著名的黄海战役。
1.「老成之见」一北洋舰队也奉命困守
丰岛之战前后，丁汝昌一度主张主动进攻，却遭到李鸿章臭骂。于是，8月初，丁汝昌以「我少快炮，船行较迟」、「不可稍有疏失，轻于一掷」、只能「近顾北洋门户为由，不进攻仁川的日军和日方本土，以防日本海陆军「四面抄袭」，李鸿章认为这是「老成之见」。8月 29日，李上奏:「唯不必定与拼击，但令游弋渤海内外，做猛虎在山之势，倭畏我铁舰，不敢轻与争锋」。
在陆军从四路进攻平壤的同时,日军大本营为尽快控制制海权，打通向朝鲜和中国大陆进攻的海路通道,也命令海军按作战大方针积极寻找机会与北洋海军主力决战。日军集中了12艘军舰，包括全部共8艘5000马力以上的主力舰和巡洋舰，在大同江外海面巡弋。日本海军中将桦山资纪还曾两次亲自乘舰前往黄海视察，海军司令伊东佑享也曾亲自率领舰队两次到威海卫北洋海军基地进行摸底。【日本人的敬业精神很强。李鸿章、丁汝昌会到日本海岸去做这种军事准备工作吗?】
战前，李鸿章知道北洋海军的舰船速度和炮火发射速度不如日本，不敢主动出击而采取近海防御的方针。他告诫丁汝昌「不要浪战」，要保持威慑力，使日本不敢轻易进犯渤海湾和中国海防线。这与当时的战争气氛和国内外普遍认同的中国海军优势很不协调，朝野上下纷纷抨击、弹劾李鸿章、丁汝昌，朝廷甚至下旨严令李鸿章撤换丁汝昌，北洋水师才装模作样地出海巡弋。
9月中旬，叶志超得知目军向平壤进发的消息之后，担心驻朝清军力量单薄，不断发电报请李鸿章迅速增兵，特别强调保护平壤的后路安州。李鸿章见朝鲜局势越来越紧张，而各省的援军又遥遥无期，只得一面告诫叶志超「仍督同各军镇静严守，勿涉张皇」，一面调用驻守旅顺和大连的主力部队--刘盛休的铭军由海路增援安州，并命令丁汝昌率北洋舰队主力护航。湖南巡抚吴大澄则自告奋勇填补威海炮台的空虚。
2.北洋舰队与联合舰队
1894年9月15日上午，平壤之战已经打响，而天津和北京方面都没有得到消息。北洋舰队按原计划，由丁汝昌率主力舰队抵达大连，等候运兵船装载陆军及辎重。舰队共计军舰10艘，附属舰8艘。16日凌晨1时，铭军10营共4000人分乘5艘运兵船，在舰队的护送下，向鸭绿江口的大东沟进发。16日中午，舰队抵达大东沟。「定远」等10艘军舰停泊在港外 12海里处,「平远」、「广丙」开进港中,「镇南」、「镇中」两艘蚊炮船(也称蚊子船)和4只雷艇船与运输船一起深入港内，连夜运送兵员和物资。
17日上午8时，丁汝昌命令加紧卸兵，舰队准备在中午启程返航，并趁此进行上午常操。舰上的美籍海员马吉芬写道:「自午前九钟起，各舰犹施行战斗操练一小时,炮手并复习射击不辍。舰员中，水兵等尤为活泼，渴欲与敌决一快战，以雪'广乙’高升’之耻。士气旺盛，莫可名状。」10时30分，操练结束，各舰准备午饭。
清军主力出港护航的消息，被在华的美国人迅速转告日本。日本终于等到了在中国海岸之外聚歼北洋舰队的机会。当北洋舰队演习常操的时候,日本联合舰队的12艘军舰正迅速向大东沟方向进发，搜索清军舰队，并在航行中临阵操练。
11时许，日舰最前面的「吉野」号发出信号:「东北方向发现3艘以上敌舰」。 旗舰「松岛」上的联合舰队司令伊东佑亨传令舰队按早已演练纯熟的鱼贯纵阵排列-这是日军针对清军舰队前炮威力强大的特点，利用自己的航速优势和侧炮优势制定并演练的一种阵法:第一游击队「吉野」、「高千穗」、「秋津州」、「浪速」4艘快速巡洋舰为前锋，采取鱼贯纵列依次衔尾前进;「松岛」率领「千代田」、「岩岛」、「桥立」、「比睿」、「扶桑」组成的本队6舰继后;小舰「西京丸」、「赤城」移至本队左侧,作为非战斗行列。日海军军令部长桦山资纪乘「西京丸’观战。
11时55分,北洋将领们正在吃「烧白鸽」一个将校突然冲进餐厅，说发现西南方天水线上遥遥升起几缕黑烟,像是日本舰队。船上将士都跑出去看,看不出更多的情况,决定边用餐边商量，同时为轮机的蒸汽锅炉生火准备。
等看清来船时,军舰上挂着美国国旗。丁汝昌等了望来势,估计为日本舰队,命令各舰做好战斗准备。马吉芬写道:「中日启衅之后，我舰队员无不锐意备战。有鉴丰岛一役'济远’、''广乙’之覆辙各舰皆将舢板解除，意在表示军舰之命运即乘员之命运，舰存与存，舰亡与亡。此外，与战斗无益之木器、索具、玻璃等项，悉行除去无余。各舰皆涂以深灰色，沿舱面要部周围积置沙袋，高可三、四英尺。通气管及通风筒咸置之舱内，窗户与防水门概为锁闭。凡有乘员俱就战斗部署，战斗喇叭余响未尽，而战斗准备业已整然。」
北洋水师提督丁汝昌、右翼总兵刘步蟾、德国籍总教习汉纳根、英藉顾问泰勒都先后登上旗舰「定远」号的舰桥，一面密切注视来舰动向，一面商讨对策。
到12时20分，来舰逐渐接近，已能清晰分辨出对方为12艘军舰。双方舰队距离越来越近，来舰快进人大炮射程时，突然将星条旗换成太阳旗。
这时，清军参战军舰10艘共31000吨，日本海军参战军舰12艘共38000吨。【另:【甲午悲歌】称，清军共16舰，日军14舰。【清史演义】称:清舰共12艘，「定远、镇远最大;致远、靖远、经远、来远、济远、平远次之;广甲、广丙、超勇、扬威又次之」;日本军舰共11艘，从大同江出发。】
清军海军的特点是:舰只较老、舰体大、甲板厚、舰速慢、大炮多快炮少。其中「定远」、「镇远」两舰排水量均为 7430吨，有多层装甲，是远东数一数二的铁甲战列舰，它们的缺点是航速较慢，仅14.5节。日舰大多是下水不久的新船，航速高，火炮射速快。专门为对付「定远」、「镇远」而于1892年刚从英国购置的「松岛」舰，装备了320毫米的大口径炮。显然，中日海军舰队各有长短，日军略占优势，主要硬件并不悬殊，难分高下。另外6艘舰艇为炮舰「镇南」、「镇中」和鱼雷艇「福龙」、「左一」、「右二」、「右三」。【黄:清方战舰，实际上共计18艘!】
丁汝昌等斟酌日军来势，议定发挥「定远」、「镇远」两艘巨型主力舰的优势，将港口外的10艘军舰分成五队:旗舰「定远」和「镇远」两艘巨舰为第一队，分居前面左右;「致远」、「靖远」为第二队，在左侧;「经远」、「来远」为第三队，在右侧;「济远」、「广甲」为第四队，在左,「超勇」、「扬威」为第五队，在右。整个舰队以「分段纵列」的「犄角鱼贯阵」夹击之势迎战。
【附:英国人泰勒在【甲午中日海战见闻记】中讲述，刘步蟾临阵慌乱，在实际下命令时错发「横列」信号，使队形成为「定远」居中，其余军舰居其两翼，加上清军两翼弱舰航速慢，结果整个舰队变成半月形的所谓「人字阵」(各资料说法不一，也称「雁行阵」、「犄角雁行小队阵」、「夹缝雁行阵」等)投人战斗。
泰勒的说法，晁然有严重贬低甚至打击刘步蟾之意。由于英国人曾为夺取北洋军权一事与刘步蟾发生原则性争执，加上后来刘步蟾死因可疑，此说真实性有待专家考证。
另:【甲午战史】中称清军舰队为「V型阵」，与同一资料中「定远」居中的说法矛盾，疑为该资料将「倒V字型」的「人型」、「半月型」误解为「V字型」。】伊东用望远镜远远地看到，清军舰船上「两臂裸露而呈浅黑色的壮士，一伙一伙地伫立在大炮旁，正准备着这场你死我活的决战」。他怕一向对日本海军缺乏信心的水兵临战畏惧，特别下令准许「随意吸烟，以安定心神」。
3.一鸣惊人一亚洲第一舰的第一炮
双方舰队接近到1万米时,以鱼贯纵阵前进的日军舰队第一游击队提高航速脱离本队，向右前方进击。原来，日军见北洋舰队的阵型莫名其妙，决定避开「定远」和「镇远」两艘巨舰，从较薄弱的右翼着手攻击。于是，日本舰队反而演变成夹击阵势。丁汝昌急忙下令全舰队向右移动4度，让主力二舰带头迎敌。
中午12时50分，双方舰队距离在五、六千米时，刘步蟾便下令「定远」号上射程只有 5000米的大炮开火。「定远」的第一炮，也是全队发动进攻的信号。紧接着，「镇远」舰和北洋各舰也纷纷发炮轰击。炮弹在距离日舰更远的地方坠入海中，激起的仅仅是浪花。
更令人哭笑不得的是，当时正在指挥塔上了望的北洋海军提督、全北洋舰队实际统帅丁汝昌所站的飞桥被突然开火的大炮震塌。结果日军还没开炮，清军旗舰就因第一炮的震动而使指挥台坍塌，并且站在上面的主帅丁汝昌和英国人泰勒都因被「抛堕舱面」而受伤。丁汝昌拒绝进入内舱休息，坚持坐在甲板上协助指挥。
英国人泰勒在其【甲午中日海战见闻记】称，代替其指挥的管带总兵刘步蟾惊惶不已，德国顾问汉纳根劝其人仓休息，自己代为指挥。不久，刘步情绪稍稳，复出指挥，坚持到战事结束。【1.不少国内著作都有远距离开炮、天桥飞落之说，该说源头似出于英国人泰勒之【甲午中日海战见闻记】。此事疑点不小，为一重要史谜，甚至不排除该天桥在战前或战时被泰勒蓄意破坏的可能性。2.清军两主力舰的火炮射程远于日舰，射速却不如。如果遥击的命中率不太低，遥击是正确的，但射程短的炮不应胡乱开火。】
不过，这一切日军当时并不清楚，日方「高千穗」舰还产生了误解:「'定远’的炮座吐出一团白烟，轰然一声巨响，其 30.5厘米的巨弹冲开烟雾，飞过日舰头顶，落在驶在最前面的吉野舰侧100米处,海水顿时腾高数丈……是为黄海海战第一炮声,盖此炮声唤起三军士气也。」(桥本海关:【清日战争实记】)【日本人之说与泰勒所言有微妙差异。】
4.伤敌四指，自断一指
-黄海战役上半场
日舰开始发炮还击。对仗之后,「吉野’等4舰横越北洋舰队前方，利用航速优势集中火力围攻右翼的「超勇」和「扬威」英国为日军装备的阿姆斯特朗120毫米速射炮威力极大，交战不多久，「超勇」「扬威」两舰就中弹起火，很快「超勇」舰伤重沉没。【黄:日军利用舰多、快、射速快的优势，施行田忌赛马之计。】
「定远」、「镇远」则拦腰切断日本舰队后卫的「比睿」、「扶桑」、「西京丸」、「赤城」4弱舰，给予猛烈打击。敌舰纷纷中弹起火，均负重伤,「西京丸」很快被迫离开战列。第一回合战斗，双方集中火力打击弱舰，各有伤残，胜负难分。
日本的前锋4舰看到本队被截，急忙左舵回转，援救「赤城」。以「松岛」号为首的日本核心队则打右舵，沿着清军舰队火力渐弱的右翼切入清军舰队后方。日本海军则一致保持第一游击为一队、本队为一队的基本战斗队形，充分发挥其侧舷火力，左右环行清军舰队夹攻。
如果北洋舰队能集中火力将这4艘日军弱舰击沉,至少可以打成平局。可是丁汝昌负伤后，中国舰队实际上已经指挥不灵,「超勇」的沉没更加剧了慌乱。开战半小时内,旗舰上的信号旗已经毁坏，整个舰队变得群龙无首、各自为战，无法保持海战队形和施展战术，逐渐被动，陷入日舰之中。
在失去指挥的不利形势下，清军各舰官兵英勇作战，连外籍顾问甚至日本军都承认清军水兵「可称善战」,「炮术极佳」。可惜极佳的战术并未给敌舰带来致命打击，许多日舰连挨数炮后竟未起火。原来外国军火商和清朝军需官狼狈为奸，许多炮弹是内充砂子的假货或教练弹，真正有杀伤力的实弹不多。1时30分左右，大东沟内的「平远」、「广丙」和鱼雷艇「福龙」号出港参战。
