如果说丰岛海战是日军偷袭，那么，大东沟海战就是双方主力舰队硬碰硬的一场较量。为了掩护陆军增援朝鲜，北洋舰队全体出动。9月17日，五艘运兵船完成任务，北洋舰队准备返航时，海平线上出现了十几道烟柱，日本联合舰队来了。
中午12点50分，双方舰队接近到5300米，定远号首先开炮，305毫米主炮向吉野号射出第一发炮弹。吉野号两分钟后开始还击，目标是中方的超勇和扬威号。
双方的主力都是十艘战舰，北洋舰队采用的阵型是雁行阵，定远、镇远居中突前，其他舰分布两翼，邓世昌的致远舰在最左翼，被吉野炮击的扬威、超勇在最右翼。
北洋的核心战力是定远、镇远二舰，每舰有四门305毫米主炮。由于军舰本身的设计原因，这四门主炮可以同时向舰首射击，而向船舷方向射击时，只能用其中的两门。所以，北洋把定、镇两舰打头阵，是无可厚非的。
日军利用舰速快、机动性好的优势，分出四艘军舰，组成第一游击队，绕到北洋舰队右侧，与本队从两个方向进行夹击。这个第一游击队正是丰岛海战的吉野、浪速、秋津洲三舰，再加高千穗号。
由于北洋是横队，最外侧只有一艘军舰可以迎敌，一旦敌方运动到位，就会形成四打一的劣势，然后一艘接一艘地被干掉。战术上看，日军更为高超，此后有多国仿效此战术，用于海上舰队决战。
而丁汝昌在开战之初，就被主炮的炮口冲击波烧伤，也有人称是指挥飞桥被震坍，导致的摔伤。总之，北洋舰队的总指挥在刚开打时，就受伤退出了指挥。
下午3点30分，为了掩护受伤的定远，致远从队列里冲了出来，吸引住第一游击队的火力，致远因此遭到重点打击。危急之时，邓世昌下令全速冲向吉野，准备与敌舰同归于尽。不幸的是，致远舰在冲击的途中爆炸沉没。
军舰沉没后，邓世昌不愿意苟且偷生，推开亲兵送来的救生圈，不肯独活。他的爱犬“太阳”拼命想衔住主人的胳膊和头发，邓世昌抱住爱犬一起沉入了海底。这是中国海军军人的尊严。
可是，致远舰舍身冲撞的同时，济远舰见战局惨烈，贪生怕死的方伯谦下令逃离战场，途中还撞沉扬威号。广甲舰跟着济远逃跑，在大连湾搁浅。这回方伯谦没有任何借口，以临阵脱逃的罪名，9月24日在旅顺被斩首。
日军第一游击队腾出手来，集中火力击沉经远舰，管带林永升战死殉国，经远舰沉没。至此，北洋已有四舰战沉，两舰逃跑，处于绝对劣势中。但北洋水师的奋力攻击，也造成了日军惨重的伤亡，三艘军舰因受伤过重退出了战斗。
日军虽然集中火力猛攻定远、镇远两舰，无数炮弹命中，却始终无法击穿其厚实的装甲，两舰只剩下一半的主炮，仍然不停地向日舰开火。战斗打了五个多小时，精疲力尽的日军哀叹，这两艘巨舰是打不沉的。
17点45分，日本舰队率先退出战场，北洋舰队重新集合剩余舰只后，这才离开大东沟海域，海战至此全部结束。北洋损失致远、经远、扬威、超勇、广甲五舰，伤亡官兵一千余人，邓世昌、林永升两名管带阵亡。日本联合舰队死伤六百多人，但没有一艘军舰战沉。
从损失对比来看，北洋舰队似乎是完败的，但很多专家认为北洋并不算全败，日军也不能算全胜。理由主要是，除了致远和经远外，其他三舰本就是准备淘汰的老舰，对舰队战力没有太大的影响。
而且事实证明，定远、镇远两舰对日军来说，确实是难以击沉的。日本舰队抢先退出战场，证明他们对两舰还是有所忌惮的。虽然定、镇都受了伤，但经过整修后，仍然有相当的战斗力。日本联合舰队离夺取制海权还远着呢。
只要有北洋舰队的存在，日军就必须保护自己的海上运输线，双方实际是一种相互威慑的态势。遗憾的是，五舰沉没吓坏了满清政府，李鸿章也不愿再拿舰队出去冒险，下令龟缩到威海卫，放弃制海权，企图保全舰队。
如果北洋舰队能够保持海上存在，日军就无法放开手脚在辽东、山东实施登陆作战。清廷以为这场战争仅仅是为了争夺朝鲜，根本没有做好日军进攻中国本土的准备。
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