以煤炭為燃料的時代，未見艦影，首先便看見煤煙。不多時，弄清了那些黑煙是從日本艦隊冒出來的。
同敵人遭遇！
北洋艦隊並沒有進行搜尋活動，他們沒有掌握制海權的野心，而李鴻章也不曾要求過。北洋艦隊的任務只是輸送兵員和沿岸防禦，至於大艦隊在海上的遭遇戰，他們從來也沒有認真想過。
「全艦立即起錨！」
「準備戰鬥！」
丁汝昌一個接一個地下達著命令。
大東溝港外的「平遠」和「廣丙」也迅速加入戰鬥行列。
日本的聯合艦隊護送陸軍到仁川港以後，為支援平壤作戰而北上，到達大同江口海面時，是9月15日。日軍在這天攻進了平壤。
聯合艦隊司令伊東中將在電報中報告：「16日，率本隊及第一遊擊軍‘赤城’、‘西京’、‘都合’等十二艦，自大同江出發，17日晨經海洋島至盛京省大孤山港海面，與敵艦十四艘、水雷艇六艘遭遇，午後零時四十五分至午後五時許，進行數次激戰。」
日本海軍正積極地搜尋目標，尋找敵人，與之作戰。相反，北洋海軍只以輸送兵員、警戒沿海為目的，並沒想南下搜尋敵人，是被迫應戰。它背靠大陸，不如背後是大海那樣可以自由行動。北洋艦隊一開始就處於走投無路的形勢下。
日方是十二艘，中方十四艘。清軍艦船雖多，但一隻不如一隻。排水量總噸數日方為四萬噸，而中方只有三萬五千噸。但中方有鐵甲艦五艘，而日方只有一艘。至於速度，日方佔絕對優勢，平均速度為十六海里，比平均十四海里的清艦高出一籌。實際馬力日方為七萬三千馬力，中方僅為四萬六千馬力。重炮，中方二十一門，日方十一門，但速射炮日方六十七門，中方僅六門，相差懸殊。
從綜合戰鬥力觀之，日本艦隊佔相當的優勢。
戰鬥訓練方面的差別就更大了。近年來北洋海軍根本沒進行過正規訓練。有個時期，英國海軍上校琅威理在丁汝昌麾下擔當教育官兵之職，後來因待遇問題而辭任。那是丁汝昌接旨進京時，琅威理以為丁汝昌離艦期間應當由他代理北洋艦隊總指揮，實際上卻是總兵劉步蟾代理了司令長官，他只不過是顧問。
一國的艦隊，哪怕是一時的，從常識來考慮，也不能交給外國人。琅威理認為自己受到屈辱，可見他的性格過於偏激固執。當他明白了他當不上代理司令長官之後，乾脆辭職不幹了。憑著這種偏激固執的性格，他為清軍做過嚴格的戰鬥訓練，素質大見提高。琅威理辭職後，再也沒有這麼嚴格的教官了。
李鴻章聘漢納根為後任。漢納根是德國的陸軍工程師，專長是構築要塞，旅順和威海衛的炮臺就是按照他的設計和指導建造的。在炮臺和要塞方面他是權威人士，但在海軍作戰訓練方面卻是個門外漢。他在本國時軍籍是陸軍。
琅威理離去後，北洋海軍中外國人顧問除漢納根以外，還有德國工程師、德國炮術專家、美國航海術教官、英國工程師等人。這些人都是專門的工程師，與戰鬥訓練毫不相干，在他們之外有個叫尼格路士的英國人，他是退伍水兵，一度負責訓練，其實不過是軍事教練助手一流的人物。
後來，有個叫泰萊的英國海軍後備少尉被北洋海軍聘來。他原來在以英國人赫德為首的中國海關工作，當緝私船船長。泰萊進入北洋海軍時，正值中日甲午戰爭之前。他在回憶錄中說：他之所以在風雲告急之時進入北洋海軍，純粹是冒險心理的驅使。他的身份是漢納根的顧問兼秘書。不過，從時間上來說，他幾乎沒來得及訓練。
北洋海軍官兵學會了航海，但沒受過多少作戰訓練。
在這種狀況下，兩國艦隊遭遇了。
據泰萊的回憶錄，北洋海軍的水兵們雖然訓練不足，但極其機敏、靈活。從下級到中堅的軍官們大都是些很有才能的人，但越往上越沾染著官僚主義惡習。
提督丁汝昌是淮軍騎兵出身，給劉銘傳做過部將，在征討捻軍時立下戰功，得到李鴻章的極大信任。從根本上說，他並不是海軍軍人，只是經常被派往歐洲購買軍艦，這才與海軍結下關係。海軍學校設在福建，所以海軍中福建出身的人比較多，此外，還有山東、浙江等沿海一帶出身的人。安徽出身的丁汝昌是個孤立的存在。泰萊在回憶錄中寫道：「丁汝昌不過是個傀儡，實際上的提督是總兵兼旗艦管帶劉步蟾。」
劉步蟾屬於海軍的主流派。他原籍是福建省侯官縣，幼時聽過家鄉的傑出人物林則徐的故事。後在福建船政學堂學習英語、測量和航海。學成，被派往英國研習槍炮和水雷。從國外歸來，在臺灣測繪部落和海岸，製成詳圖，受到同鄉前輩兩江總督沈葆禎（林則徐的女婿）的重視，在海軍中一帆風順地升上去。1882年赴德國接收「定遠」艦，後來就成為「定遠」的管帶。
黃海海戰時中國海軍的實際指揮者是劉步蟾。
北洋艦隊發現日本艦隊，立即做了戰鬥部署。
北洋艦隊的預定作戰方案是採取四列縱隊。然而，旗艦上劉步蟾命令旗尉升起的訊號旗，卻是一列橫隊。
泰萊寫道：「劉步蟾是個惜命的人！」
排成一列橫隊時，以旗艦為中心，主力艦列於兩旁，兩翼就是弱的位置。敵艦攻擊時，首先要從弱點開始，所以這種隊形在初戰時，主力艦是安全的。
泰萊寫道：「他就是害怕同敵人遭遇。」
泰萊和劉步蟾似乎不太融洽。後來劉步蟾在威海衛自殺殉國，怎麼會在這次黃海海戰中貪生怕死呢？
戰鬥隊形是根據桅杆上的訊號旗變動的。為了掩蔽自己的作戰意圖，剛交戰時可能不按既定方針變換隊形。
雖說是一列橫隊，但兩翼的弱艦知道自身所處位置的危險性，一般都要稍稍靠後一些。所以，北洋艦隊現在不是一條直線，而是排成一個半月形。一般說來，橫隊是很難維持其陣容的，而且行動頗受限制。不過，艦首有重炮的北洋諸艦，要有效地發揮重炮的威力，仍以橫佇列陣、艦首對準敵艦為最上策。
提督丁汝昌正站在主炮之上的艦橋上，他的旁邊站著泰萊，管帶劉步蟾豈能看不見？然而，他卻下達了開炮的命令。
當主炮開炮時，站在艦橋上的人會被它的劇烈震動給丟擲去。果然，丁汝昌和泰萊兩人被震出十多米遠。
丁提督扭傷了腰骨，不能站立。泰萊一時失去了知覺。難怪泰萊寫回憶錄時把劉步蟾的形象描寫得那麼壞，看來也是有原因的。
戰幕拉開，三十分鐘以後，北洋艦隊旗艦「定遠」號的訊號桅杆被日艦炮彈擊中。這下子就決定了勝敗。那個時代的海戰，各艦都依照旗艦的訊號旗行動，而此刻北洋艦隊的旗艦不能下達命令了。
想改變隊形也不可能了，於是，各艦便各自為戰。旗艦的訊號旗既是艦隊的眼睛，也是艦隊的耳朵。現在，北洋諸艦又瞎又聾了。
在綜合戰鬥力方面，日本的聯合艦隊佔據上風。而中國海軍開戰伊始便失去旗艦的訊號桅杆，無法採取機動靈活、緊密聯絡的戰術。
殊死的戰鬥持續了五個小時，北洋艦隊損失了「超勇」、「致遠」、「經遠」三艦，「揚威」、「廣甲」重傷。
日本艦隊的速射炮發揮了威力。「定遠」、「鎮遠」被擊中二百餘彈，有十餘人陣亡。「定遠」的主炮炮彈擊中日本旗艦「松島」，但未能擊沉它。「松島」艦傷亡三百餘人。
「定遠」和「鎮遠」兩鉅艦，雖然中了二百多發大小炮彈，仍然沒有沉沒。
鄧世昌管帶率領「致遠」艦，噴著火星，直衝日本的「吉野」艦，要以艦撞艦，同歸於盡，但中了魚雷，頃刻沉沒。
水兵出身的英國人尼格路士身受重傷，臨死前不斷呼喚女兒的名字。
酣戰中，「濟遠」艦體受重創，離開戰列，返回大連灣。各艦認為「濟遠」的行動是「臨陣脫逃」。
下午五時，黃海上飄散出黃昏的氣息，日本聯合艦隊突然掉轉隊形，開始返航。這是日本艦隊的一次明顯的勝利。但是，還稱不上壓倒性勝利，因為日本艦隊長期以來的主要假設敵——「定遠」、「鎮遠」兩艦，並未擊沉。
連續五個小時的海戰，並非毫無間斷地互相發射炮彈。其間也有過數次的十分或十五分鐘的休止時間。日本艦隊掉頭返航之前停止了炮擊，開始時北洋艦隊還以為這是日本艦隊的暫停。
日本艦隊的艦影逐漸遠去，「鎮遠」艦上的美國人航海術教官馬吉芬喃喃地說道：「日本艦隊炮彈也打光了……」
北洋艦隊諸艦的彈藥庫幾乎都空了。
丁汝昌、劉步蟾率領北洋艦隊，帶著滿身創傷，拖著沉重步伐，返回大連灣。