带邓世昌见“吉野”十分猖狂，毅然下令开足力，准备用冲角撞击“吉野”，以求与敌同归于尽，不幸被鱼雷击中，16时20分“致远”舰沉没，邓世昌等250名官兵壮烈牺牲。“经远”继续迎战“吉野”，也中弹起火，带林永升、大副陈策阵亡，16时40分“经远”舰也被击沉，250余名官兵殉难。“致远”沉没后，“济远”带方伯谦、“广甲”带吴敬荣，贪生怕死，临阵脱逃。“靖远”、“来远”因中弹过多，退战斗，避至大鹿岛附近急修补损坏的机。在“致远”、“经远”等舰同第一游击队激战的同时，“定远”、“镇远”两舰正顽抵抗着日舰本队的围攻，虽中弹甚多，几次起火，全官兵仍然持奋战，重创敌旗舰“松岛”，打死打伤炮台指挥官海军大尉志清直以下100多人。不久，“靖远”、“来远”抢修完毕，重新投战斗。“靖远”帮带大副刘冠雄见“定远”号旗桅杆断裂，不能升旗指挥，建议带叶祖珪代悬信旗集队，指挥各舰绕击日舰。

12时55分联合舰队旗舰“松岛号”上的320毫米主炮被一发150毫米舰炮击中，造成三人死亡两人受伤，特意为对付清北洋舰队而建造的320毫米炮也由于被命中而只能朝前击不能较向。

只前冲的日本舰队很快就冲近了3000米左右的距离上，随着伊东佑亨的一声令下，各舰的各径的主炮速炮都成群成群的飞向北洋舰队。

13时48分日舰“武藏”、“赤城”被北洋舰队截击。“定远”、“来远”、“经远”重创“武藏”、“赤城”。“赤城”舰长坂元八郎太当场毙命。“西京”也受重伤。但是，日本舰队利用其航速快、便于机动的优，第一游击队和本队互相合，至14时15分左右，本队已绕至北洋舰队背后，与第一游击队形成夹击之势。北洋舰队腹背受敌，队形更加混。在混战中，“致远”舰多受伤，船倾斜。伊东祐亨令第一游击队救援“赤城”、“武藏”。“吉野”冲在最前面，正遇上“致远”。

而此时大东沟外海，丁汝昌虽然率领着北洋舰队几乎全主力，但他担忧的正是日军主力一旦前来攻击登陆舰艇，北洋海军将不得不与日军决战，这也就违背了上司李鸿章的初衷。更糟糕的是，无论登陆的清军陆军还是丁汝昌都不知，就在9月16日登陆这天，他们试图前往增援的平壤其实已经失守。在朝鲜北的大雨中，由叶志超带领的中国陆军已经一溃千里，这次增援将变得好无意义。