急剧扩充的海军根底还是比较雄厚，此时大东沟海面上日本依然能够拿得出十一艘战舰来和北洋水师拼命。而经历了南大洋海战之后的北洋水师已经有些力竭了。
中午十二时二十分，北洋水师以人字阵队形迎战日本联合舰队。双方展开了激烈地大海战。双方激战至下午六点五分结束，日本联合舰队指挥官中将桦山资纪怕北洋水师越战越勇，更怕在夜幕降临后会遭到北洋水师鱼雷艇的攻击，遂决定终止海战发出撤退的信号。
在这场总共近六个小时的战斗中，双方铁甲舰参战数量最多，持续时间最长，战斗最为惨烈，中日海军都遭受了最沉重的打击的大海战终于在东大洋地落日下结束了。北洋水师定远、济远、广甲、广丙、镇南、镇中、操江七艘战舰和右二、右三两艘鱼雷艇沉没；日本联合舰队桥立、秋津洲、扶桑、千代田四舰被击沉，高雄在战斗结束两个小时后，返航时触礁沉没。
这场大海战惊动了世界，相对于一个月前发生在南大洋的大海战，这次战斗惨烈到了极点，战斗中无论是北洋水师还是日本联合舰队都发生了数次与敌同归于尽的绝命冲击攻击——战斗开始不到两个小时致远为了掩护定远旗舰便冲向秋津洲，因为镇远及时支援两发305毫米炮弹有如神助的击中了秋津洲，其中一发命中弹药库发生剧烈爆炸，这才免去致远同归于尽；半个小时后正在攻击日舰八重山的济远被已经严重受损的千代田相撞，躲避不及两舰同归于尽；广丙使用鱼雷偷袭浪速，鱼雷击中未发生爆炸后撞向浪速，被赶上来的吉野击沉；海战爆发四个半小时后，扶桑掩护桥立与定远相撞同归于尽……
中日两国海军经此一战之后，几乎尽数凋零，残存下来的中日两国主力战舰全部都是重伤，相对于舰船地损失，人员损失则更为惨重。尤其是两支舰队的指挥官在战舰受到严重损伤逃生无望的情况下，举枪自尽者数人——北洋水师提督丁汝昌和刘步蟾在与扶桑相撞后自尽；管带程璧光在沉船时自尽；扶桑舰长大佐新井有贯在与定远相撞后自杀……在海战结束后，镇远、致远依旧结队追击半个小时，只击中了日舰八重山舰尾一炮后，因为航速不及日舰，日舰都已经驶出舰炮射程，再加上天黑周围海域多有险滩暗礁，才开始返航会合左一鱼雷艇救援同僚……
“平壤这下子真的失陷了！”谭延闿再看到最新战报后，沉痛地想到。其实他早有这种预感，日本是出了名的战争赌徒，在没有攻陷汉城地情况下，倾其所有绕道攻击平壤可能性实在是太大了，他不是没有和李鸿章建议过，可惜人们怎么也不会认为日军会真的去打平壤。
现在说什么都晚了，平壤失陷后，凭着叶志超那块料绝对是被日军赶鸭子了，现在也就剩下左宝贵的汉城了，但牙山水道已经被日军布雷封锁，北洋水师已经筋疲力尽，没有铁甲战舰的护航，普通商船去了岂不是羊入虎口？！左宝贵的汉城已经进入倒计时了！