平遠的沉沒讓北洋水師驟然緊張了起來。可是朝廷高層卻對此沒有任何反應——日本海軍修理戰艦的速度明顯高過北洋水師，在南大洋地戰鬥才剛結束幾天。日本艦隊居然又開始在牙山附近設伏，要不是橋立艦的鍋爐在戰鬥中出現問題，鎮遠這次可就懸了。
現在北洋水師主力戰艦就靠定鎮兩艦來壯門面，而現在定遠重傷還沒有修好，鎮遠又被重傷了，加上致遠、靖遠，四艘主力戰艦居然都在修復過程中，除去靖遠受傷太過嚴重需要至少三個月的修理時間外，定遠、鎮遠和致遠都需要至少十天的修理時間。好在濟遠終於修復完畢，後主炮更換了江南製造局的雙聯裝150米速射炮，成為北洋第一艘加裝速射炮的主力鐵甲戰艦，先前改裝的廣乙和揚威都已經在南大洋沉沒。
七月二十日，日軍炮兵第三大隊突然炮轟朝鮮平壤的工事，自此掀開了進攻平壤地序幕。十九日平壤城北四座堡壘和箕子陵陣地被日軍攻克，平壤守將葉志超堅守平壤的決心動搖；二十三日日軍付出四百人代價佔領了戰略要地牡丹臺，日軍將山炮隊送上牡丹臺，自此日軍可以從牡丹臺用火炮攻擊玄武門及全城，這個時候葉志超已經完全喪失守城信心，開始準備撤出平壤。八月二日，葉志超率部由七星門、靜海門蜂擁撤出平壤，但在雨夜中被野津道貫的第三師團伏擊，激戰一晝夜，清軍損失慘重，三千人戰死，一千三百人被俘。
二十七日，李鴻章給駐守金州的劉盛休發出電令：「平壤日兵三路漸逼，後路空虛，續調之兵皆遠不濟急。葉督屢電，後路安州距平壤不過一百里，最為緊要，殊嫌太單。似就近調銘軍精銳四千人，乘船往安州一帶扼要駐紮，既壯聲援，又斷元山抄襲。務望迅速整備，五日內船到即行。當令丁提督海軍大隊護送前去。其守炮臺兵不應動，各營仍留新募一哨守營。」二十八日，李鴻章命盛宣懷將此任務通知丁汝昌，以便做好護運銘軍地準備。同時，為了避免銘軍調離後金旅一帶兵力過於單薄，又從山海關調總兵趙懷業率懷軍五營到大連灣填扎。
二十九日丁汝昌率北洋艦隊主力抵大連灣，艦隊一面補充煤水，一面等待運兵船搭載陸兵及輜重。當天午夜，諸事已畢，丁汝昌不敢耽擱，當即下令《》。三十日凌晨一時，丁汝昌率北洋艦隊護送分乘新裕、圖南、鎮東、利運、海定五艘運兵船的銘軍十營四千人，向大
發。另外七艘艦艇為炮艦操江、鎮南、鎮中和魚雷:|二、右三也隨行。
午間，北洋艦隊護衛運兵船抵大東溝口外，由於港內水淺，併為了保證陸軍安全登岸，丁汝昌令鎮南、鎮中兩炮艦和三艘魚雷艇護衛運兵船進口，致遠、廣丙兩艦停泊口外擔任警戒，定遠、鎮遠、濟遠、廣甲、操江、鎮南、鎮中七艘戰艦距口外十二海里下錨，以防止日艦襲擊。當天下午。運兵船進口後溯流而上。至登陸地點陸續上岸。由於登陸地點離江口甚遠，又輜重甚多，卸運費時。整整一個下午才有少半土兵上岸。於是，丁汝昌下令連夜渡兵卸船，直至次日早晨，十營銘軍及炮械、馬匹等全部登岸。這樣，北洋艦隊也就完成了此次護航地任務。
七月三十一日上午十一時北洋水師發現日本聯合艦隊，丁汝昌立即決定升火以待。掛‘三七二九’旗，命令各艦實彈，準備戰鬥，備艦皆發戰鬥喇叭，音響徹乎全隊。日艦以吉野艦為旗艦，橋立、浪速、秋津洲、千代田、扶桑、赤城、西京丸、高雄、筑紫、八重山十一艘戰艦參戰，對陣北洋水師九艘戰艦。這樣的陣容已經是中日兩國海軍僅存地精華所在了，在前兩次海戰中。北洋水師和日本聯合艦隊都損失慘重。
嚴格算起來日本吃虧更多些，對定鎮兩艦威脅最大地三景艦沉了兩艘僅存橋立一艘，但是日本數年來急劇擴充的海軍根底還是比較雄厚，此時大東溝海面上日本依然能夠拿得出十一艘戰艦來和北洋水師拼命。而經歷了南大洋海戰之後的北洋水師已經有些力竭了。
中午十二時二十分，北洋水師以人字陣隊形迎戰日本聯合艦隊。雙方展開了激烈地大海戰。雙方激戰至下午六點五分結束，日本聯合艦隊指揮官中將樺山資紀怕北洋水師越戰越勇，更怕在夜幕降臨後會遭到北洋水師魚雷艇的攻擊，遂決定終止海戰發出撤退的訊號。
在這場總共近六個小時的戰鬥中，雙方鐵甲艦參戰數量最多，持續時間最長，戰鬥最為慘烈，中日海軍都遭受了最沉重的打擊的大海戰終於在東大洋地落日下結束了。北洋水師定遠、濟遠、廣甲、廣丙、鎮南、鎮中、操江七艘戰艦和右二、右三兩艘魚雷艇沉沒；日本聯合艦隊橋立、秋津洲、扶桑、千代田四艦被擊沉，高雄在戰鬥結束兩個小時後，返航時觸礁沉沒。
這場大海戰驚動了世界，相對於一個月前發生在南大洋的大海戰，這次戰鬥慘烈到了極點，戰鬥中無論是北洋水師還是日本聯合艦隊都發生了數次與敵同歸於盡的絕命衝擊攻擊——戰鬥開始不到兩個小時致遠為了掩護定遠旗艦便衝向秋津洲，因為鎮遠及時支援兩發305毫米炮彈有如神助的擊中了秋津洲，其中一發命中彈藥庫發生劇烈爆炸，這才免去致遠同歸於盡；半個小時後正在攻擊日艦八重山的濟遠被已經嚴重受損的千代田相撞，躲避不及兩艦同歸於盡；廣丙使用魚雷偷襲浪速，魚雷擊中未發生爆炸後撞向浪速，被趕上來的吉野擊沉；海戰爆發四個半小時後，扶桑掩護橋立與定遠相撞同歸於盡……
中日兩國海軍經此一戰之後，幾乎盡數凋零，殘存下來的中日兩國主力戰艦全部都是重傷，相對於艦船地損失，人員損失則更為慘重。尤其是兩支艦隊的指揮官在戰艦受到嚴重損傷逃生無望的情況下，舉槍自盡者數人——北洋水師提督丁汝昌和劉步蟾在與扶桑相撞後自盡；管帶程璧光在沉船時自盡；扶桑艦長大佐新井有貫在與定遠相撞後自殺……在海戰結束後，鎮遠、致遠依舊結隊追擊半個小時，只擊中了日艦八重山艦尾一炮後，因為航速不及日艦，日艦都已經駛出艦炮射程，再加上天黑周圍海域多有險灘暗礁，才開始返航會合左一魚雷艇救援同僚……
「平壤這下子真的失陷了！」譚延闓再看到最新戰報後，沉痛地想到。其實他早有這種預感，日本是出了名的戰爭賭徒，在沒有攻陷漢城地情況下，傾其所有繞道攻擊平壤可能性實在是太大了，他不是沒有和李鴻章建議過，可惜人們怎麼也不會認為日軍會真的去打平壤。
現在說什麼都晚了，平壤失陷後，憑著葉志超那塊料絕對是被日軍趕鴨子了，現在也就剩下左寶貴的漢城了，但牙山水道已經被日軍佈雷封鎖，北洋水師已經筋疲力盡，沒有鐵甲戰艦的護航，普通商船去了豈不是羊入虎口？！左寶貴的漢城已經進入倒計時了！