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清軍“濟遠”、“廣乙”兩艦絲毫沒有防備，被打個措手不及，倉皇應戰，損失慘重。

清政府對日軍的挑釁，忍無可忍，在全國輿論的壓力下，八月八日正式向日本宣戰。同一天，日本也向清政府宣戰。

九月十七日，北洋艦隊主力與日本聯合艦隊在鴨綠江口外的黃海相遇，雙方展開了激戰。在這次海戰中，北洋艦隊投入戰鬥的有十隻戰艦，日本聯合艦隊是十二隻，北洋戰艦噸位小，而日本艦隊是以“吉野”為首的鐵甲快速戰艦。

海戰開始時，在丁汝昌的指揮下，十隻戰船以“人”字隊形向日軍聯合艦隊發起攻擊，劉步蟾指揮“定遠”艦首當其衝，衝殺在前，將日本聯合艦隊攔腰截斷，使日軍聯合艦隊首尾不能相應，一下子就打亂了日艦的陣形。在清軍的猛烈炮火攻擊下，重創日軍“比叡”、“赤誠”、“西京丸”等艦，並擊斃赤誠艦長日本海軍少佐坂三八太郎。

日本聯合艦隊不久從驚慌中鎮定下來，依仗艦堅艦多火力強，轉而對北洋艦隊南北夾擊，使北洋艦隊陷於腹背受敵的不利地位。北洋艦隊的旗艦“定遠”艦被日本“吉野”、“高千穗”、“秋津州”、“浪速”四艦包圍，情勢十分危急。“致遠”艦管帶鄧世昌見此情景，激勵“致遠”全艦官兵說：“我們從軍衛國，早已把個人生死置之度外，目前敵強我弱，我們只有拼死作戰，決不能貪生怕死，有辱我軍聲威。”這時，“致遠”艦也已經受傷，艦上煙火瀰漫，他把令旗一揮，下令開足馬力衝向前去，把旗艦掩在艦後，向日艦連發數彈，逼使日艦稍稍後退，使旗艦“定遠”得以脫圍。北洋艦隊其他戰艦見此情景，很受鼓舞，士氣大振，只見黃海海面炮聲震天，煙火瀰漫，雙方打得異常激烈，敵艦“松島”號中彈起火，死傷百餘人，“西京丸”號幾乎被擊沉。

戰鬥進行到下午三點鐘左右，“致遠”艦在激戰中由於首當其衝，目標最大，所以遭受的打擊也最為慘重，這時艦身已開始傾斜，眼看就要沉沒大海，彈藥也快打光了，鄧世昌仍然鎮定從容，拼死作戰。日軍鐵甲艦“吉野”肆無忌憚地衝殺過來，連續用重型大炮向“致遠”發炮，妄圖一舉把“致遠”擊沉，鄧世昌見狀，氣憤已極，命令舵手開足馬力，對準“吉野”衝過去，他對幫帶大副都司陳金揆說：“倭艦依仗吉野艦大甲堅火力強，才這樣兇狂，如果撞沉它，我軍就能集中起力量來了！”

於是，鄧世昌親自掌舵怒駛，且沿途鳴炮，不絕於耳，直衝日艦而來。日艦“吉野”指揮見狀大驚失色，一面命令施放魚雷，一面準備掉轉船頭逃跑，正當“致遠”艦快要接近“吉野”的時候，不幸被魚雷擊中，機器鍋爐迸裂，船遂左傾，頃刻沉沒，鄧世昌與大副陳金揆、二副周居階等全艦將士壯烈犧牲。

下午三點多，北洋艦隊右翼陣腳的“超勇”、“揚威”二艦中彈起火沉沒，“經遠”艦失去了保護。此時日艦主攻的清軍左翼“濟遠”艦和“廣甲”艦倉皇逃竄，日艦掉頭迅速將“經遠”艦團團包圍，把它逼出陣外，“經遠”在號稱“帝國精銳”的日本先鋒隊“吉野”等四艦的圍攻下，中彈多處，管帶林永升指揮全艦不斷髮炮攻擊。正當激戰正酣之際，林永升猛然發現一敵艦中彈受傷，於是下令對準這隻受傷的敵艦開足馬力追擊，想一鼓作氣將其擊沉，日艦依仗鐵甲堅固，集中火力以排炮猛攻“經遠”艦，突然一顆炮彈在林永升面前炸開，林永升不幸中彈身亡，大副陳榮和二副陳京瑩隨後也相繼被炮彈擊中身亡。“經遠”艦最後在烈焰中沉沒，全艦將士無一生還。

下午五時多，“靖遠”艦在葉祖圭的指揮下，修復好漏洞。他見旗艦“定遠”桅褸被毀，全隊失去指揮便主動代替旗艦，從旁升起隊旗，率領剩餘船艦向日艦猛打猛衝。在“靖遠”艦的帶領下，北洋艦隊聲勢大振，一齊向日本聯合艦隊攻擊，日艦這時也損失慘重，見勢不妙，掉轉船頭向西南方向逃遁。

黃海海戰，日艦先撤離戰場，北洋艦隊不久也返航旅順，雙方各有損失，中國艦隊“致遠”、“經遠”、“超勇”被擊沉，“揚威”、“廣甲”自毀，另有六艘受創，死傷將士千餘人，但主力尚存。日艦“旗幟”、“松島”及“赤誠”、“吉野”、“比叡”、“西京丸”六艦受重創，死傷艦長以下官兵六百多人。

看到這種情況，軟弱的李鴻章藉口“保船