15：15严岛被平远击中两炮。但同时松岛命中平远的前炮座，炸毁平远二十六公分口径的主炮，并引起火灾。平远中弹起火，转舵驶向大鹿岛，暂避敌锋，以扑灭烈火。广丙随之。

这时，日舰第一游击队回航后，日舰本队已驶过北洋舰队右翼，继续向右转舵，绕至北洋舰队背后，恰好与第一游击队形成对北洋舰队夹击之势，北洋舰队背腹受敌，处境转为不利。

15：20为了替老大扛，致远中弹累累，弹药也光了。此时，日舰吉野适在致远前方。邓世昌见吉野横行无忌，对大副陈金揆说：“倭舰专恃吉野，苟沉是船，则我军可以集事！”陈金揆深为感动，开足马力，“鼓轮怒驶，且沿途鸣炮，不绝于耳，直冲日队而来”。邓世昌高呼“吾辈从军卫国，早置生死于度外，今日之事，有死而已！”日舰第一游击队其他3舰见致远向前冲出来了，便以群炮萃于致远，连连轰击。吉野也在慌忙躲避的同时发炮阻拦。

15：30数颗发射后是黄色烟雾的“梅里那依特”（melinite，烈性**）榴弹同时命中致远水线，致使致远舷旁鱼雷发射管被击中，引发大爆炸。（也有另外的说法是致远舰水线处被日军大口径炮弹击穿，锅炉被击中，导致锅炉爆炸）右舷随即倾斜。舰首先行下沉，推进器直现于空中，犹在旋转不已。“在后来的战斗中，中国的另一艘最好舰只‘致远’号也遭到不幸。它显然是在长时间内遭遇到困难，不断用抽水机奋力抽水，因为我们看到水从该舰的两侧倾流入海。它英勇战斗，得不到援助；它甲板上的大炮和舰首的大炮不停地射击，直到它沉没为止。最后，它的船首完全淹没在海水中，船尾在海面上高高翘起，露出那转动的螺旋桨，渐渐地沉没在海中。当它下沉时，我们可以清楚地听到日本军舰上发出的胜利欢呼声。在战斗中似乎并肩作战的‘定远’、‘镇远’两舰试图援救它，但是太迟了。”邓世昌与大副陈金揆、二副周居阶同时沉海。“该舰乘员大抵葬身海中，遇救者仅水兵七名耳。”据载，邓世昌落海后，其仆刘忠同时坠水，以救生圈付之，拒不受。左一鱼雷艇也赶来相救，亦不应，“以阖船俱没，义不独生，仍复奋掷自沉”。此刻，他所蓄爱犬凫到身边，“衔其臂不令溺，公斥之去，复衔其发”。邓世昌誓与舰共存亡，用力按爱犬入水，自己也随之没入波涛之中，年仅四十六岁。舰上管理机务的英人余锡尔先受重伤，与舰同沉。

西京丸逃过了北洋军舰的追击，驶出战场修理抢救。

15：30，在德籍炮术顾问哈卜门、枪炮大副曹嘉祥的指挥下，镇远舰主炮台上连续射出2枚305毫米口径炮弹，均命中了“松岛”舰，第一颗是实心弹，第二颗是稀少的进口的5倍口径的高爆弹，巨弹直接击中了“松岛”左舷第四号120毫米速射炮的炮盾，受到重击的引信立刻开始工作，弹头内填充的黑火药很快点燃炮弹，炮弹在第四号炮位上轰然炸开。爆炸所产生的巨大冲击气流和破片，使炮盾显得不堪一击，霎时成了纷纷散落的钢铁碎片。本来被遮护在炮盾后的120毫米速射炮也受到攻击，整个炮身竟然被震飞了起来，随后又重重地砸下，120毫米口径的钢铁炮管被扭曲成了不可思议的月牙形。炮身弯曲下落，借势将附近的药壳儿（弹药）引爆。！“松岛”舰上发出接连不断的巨大爆炸声，呛人的黄色毒雾立刻在舰内弥漫开来。松岛舰一层的舷侧板爆破，有三分之一长，从甲板的巨孔穿出有2尺至3尺有余，并击断上甲板之铁桩、铁梁，上甲板左右舷顺势出现三四坪洞，使舰体失去了平衡，舰体倾斜，海水灌入，很快使舰内数处破损。但此时战场上竟然刮起了大风，风向也对“松岛”有利，“幸而风从破损的舷侧，吹进一些新鲜空气，才使毒气稀薄。防火队得以竭力灭火。”救火队冲入炮甲板后，映入他们眼帘的是这样一番场景“死者的头、手、脚、肠子到处散乱着，脸和脊背被炸得难以分辨了。那些断裂的骨头上，肌肉早已经被烧毁，就像火化后的白骨，粘乎乎的鲜血沿着舰体倾斜方向流去，滴着鲜血并且还在微微颤动的肉片粘在炮身上，还没有冷却……”事后统计死伤八十四人

15：30济远转舵逃跑。开战后，济远累中敌炮，二副守备杨建洛阵亡，共伤亡十余人。济远管带方伯谦“先挂本舰已受重伤之旗”。后见致远沉，转舵逃跑，广甲亦随济远逃。“济远”、“广甲”的奔逃使得北洋舰队的战斗形势立刻一发不可收拾，孤雁失群的“经远”舰以及右翼第3小队“靖远”、“来远”舰之后也相继离开战场，向大鹿岛方向的浅水区驶避。

济远误撞搁浅之扬威，扬威立沉于海。管带林履中登台一望，“舰在人在”，奋然蹈海，随波而没。

日本第一游击队见济远、广甲逃走，因相距太远，追之不及，于是开始将目标转移在来远、靖远和经远身上。

16：00松岛舰火灾终于被扑灭。

16：07在“松岛”舰桅杆上升起了一面特殊的旗帜，“不管”，意思即各舰自由运动。随即竭力摆脱定远，镇远二舰，与其他四艘本队日舰向东南逃逸。定远、镇远尾追不舍。

16：10日舰本队回战定远镇远。

16：16来远中弹，引起猛烈火灾。靖远舰水线中弹而进水。靖远、来远二舰驶往大鹿岛附近，进行修补灭火。日舰第一游击队遂折回集中火力围攻位于北洋舰队右翼阵脚之经远。“先以鱼雷，继以丛弹”。经远中弹起火。管带林永升临危不俱，指挥全舰，奋勇抗御，“发炮以攻敌，激水以救火，依然井井有条”，以一抵四，边退边打。

定远、镇远二舰则奋战“松岛”、“千代田”、“严岛”、“桥立”、“扶桑”5艘日本本队军舰。构成了一幅极不对称的画面。白色的日本军舰在不断地开火，唯恐射速还不够高，显得杀气腾腾；2艘龙旗铁甲舰则不断被击中起火，“药弹狂飞，不离左右”，却仍然势如泰山，岿然屹立，缓慢但有节奏地发炮进行还击，显得异常的坚强、执着。“我本队舍其他各舰不顾，举全部五舰之力量合围两舰，在榴霰弹的倾注下，再三引起火灾。”“‘定远’甲板部位起火，烈焰汹腾，几乎延烧全舰。‘镇远’前甲板殆乎形成绝命大火，将领集合士兵救火，虽弹丸如雨，仍欣然从事，在九死一生中毅然将火扑灭……”2艘中国铁甲舰几乎都已遍体鳞伤，但没有一处弹痕的深度能够超过4英寸，除了不断使两艘中国战舰燃起大火外，对“定远”、“镇远”厚厚的装甲，日本本队5舰均束手无策，这毕竟是两艘一等铁甲舰，虽然她的炮火配置已显得落伍，但是防护力却是在场的中日军舰中最为强大的。

16：40受重创而退出战场的西京丸和比睿相遇。

17：00靖远、来远二舰修竣归队。靖远代旗舰挂出收队旗，收拢各舰。平远、广丙、福龙、左一随后驶至。港内镇南、镇中二炮舰和左二、左三两鱼雷艇也出港会合。

16：48——17：03旗舰“吉野”已经从“经远”的左后方逼近，在3300至2500米的距离上连续射击，并不断修正诸元，装备有武式测距仪的“吉野”，在火炮测距上显然占有极大的优势。逼近到距离“经远”1800米时，“吉野”开始近距离猛烈射击。，“经远”左舷的水线带装甲被击中，中弹部位刚好在装甲带的拼合处，装甲带立刻发生破裂及至部分脱落，“吉野”舰上甚至可以看到了“经远”舰裸露出来的钢梁肋骨！很快炮弹又在“经远”的主甲板上造成了2、3处火灾，全舰被大火围困，浓烟滚滚，海水从水线带装甲的裂口大量涌入“经远”舰内，舰体无可挽回地向左发生着倾斜。

17：05起，气喘吁吁的“高千穗”、“秋津洲”、“浪速”等军舰追赶了上来，立刻会同“吉野”对“经远”发炮开火。林永升中炮，头裂牺牲。

17：25连续遭受了半个多小时饱和炮击的“经远”再也无法支撑，舰体向左侧不断倾斜，右侧舰底的螺旋桨渐渐露出了水面，军舰的侧倾逐渐到达可怕的90度，而日本军舰的炮火还在不断地倾注到“经远”上，舰首部位燃起了更大的火灾。

17：29，“经远”向左侧翻转，倾覆到了海中。全舰官兵二百余人，除十六人遇救外，全部壮烈殉国。

17：30在经历了1个多小时的反复炮击后，日舰本队：“‘定远’舰怎么还打不沉啊！”“永不沉没的‘定远’！”那我们还打什么劲啊？！松岛舰首先挂出“停止战斗”信号，随即伊东佑亨即率领本队向东南方向返航，之后又匆匆在桅杆上挂出远距离旗语信号：“返回本队”。击沉“经远”后，意犹未尽的日本第一游击队又开始转向东北，直指在大洋河口附近灭火修理的“靖远”、“来远”。当得到停止战斗的指令后，主动返航。

17：45，“靖远”、“来远”舰首先向主战场方向航行，在大副刘冠雄的提议下，管带叶祖圭下令在“靖远”舰桅杆之巅挂出一面将旗，号召离开战场的军舰一起返回。“平远”、“广丙”、“福龙”、“左一”等相继靠拢，重新汇聚在“定远”、“镇远”2艘铁甲舰身旁。紧接着，以“定远”、“镇远”小队为首，北洋舰队剩余的舰只重新排列成双鱼贯队形，向大东沟方向疾驶。继续巡视大东沟，因为那里有我们的兄弟，我们拼死保护的就是我们的兄弟！

17：50赤城回归本队。18：00，日本第一游击队与本队军舰会合，20：00桥立舰成为旗舰，继续指挥联合舰队。松岛舰返回吴港修理。

此战，日本联合舰队阵亡121人、受伤175人；此战，北洋舰队共损失“超勇”、“扬威”、“致远”、“经远”等4艘军舰，“定远”、“镇远”、“靖远”、“来远”等4艘遭到重创，阵亡提督衔记名总兵邓世昌以下官兵715人（其中4艘沉没的军舰达到660人），受伤122人。事后，广甲舰搁浅被炸毁。有若干个小老婆的方伯谦因临阵脱逃最终被砍头。李鸿章则被拔去三眼花翎，褫去黄马褂。