下午二时半，平远、广丙两舰以及福龙、左一两艘鱼雷舰加入战斗。黄海海战打响时，当时沿大东沟近岸航行担任舰队侧翼警戒的鱼雷左一营都司蔡廷干，立即率领“福龙”号及本部鱼雷艇队尾随“平远”、“广丙”两舰奔赴大东沟海域参战。下午2时30分，“平远”、“广丙”两舰先与日舰“西京丸”、“岩岛”及旗舰“松岛“号交战。当时日舰比睿、赤城刚刚逃出战区，西京丸的右舷随即暴露在北洋舰队前方，立即遭到平远、广丙等北洋舰队各舰炮火的猛烈轰击。其舵机遭到损坏，只能靠人力舵勉强航行。不久，右舷又中一弹，立即出现裂缝，渗进海水。程璧光指挥“广丙”舰不断的击中敌舰，当平远驶近松岛二千二百米时，突然射二十六公分炮弹，击中松岛的中央水雷室，四名鱼雷射手中弹身亡。松岛也炮还击，炸毁了平远的二十六公分主炮，并引起火灾。平远见势不敌，转舵驶避。两舰虽然都命中“松岛”及“西京丸”并引起大火，终因本身火力太弱，又系木质船身先后被日舰还击受创退出战斗。海战中，程璧光腹部被弹片击中，血染内衣。

面对强大的日本舰队，蔡廷干毫不畏缩，指挥属下艇队，把日方军旗舰舰“松岛”从舰队编队中分割开来，自己指挥“福龙”号向“西京丸”射鱼雷，由于距离太远而没有命中。面对敌舰猛烈炮火的射击，蔡氏昂然挺立在指挥台上，下令“福龙”号全衔尾向“西京丸”急进。当逼近敌舰约三十米时，“西京丸”连三枚鱼雷，“福龙”号转舵避开。其后，“福龙”号立即折回，全冲向“西京丸”舰，又射出一枚鱼雷。根据当时在舰上指挥作战的日本海军军令部长桦山资纪中将的《回忆录》文中描述：“目睹此情，本舰已无法躲避，我也只好闭目待毙。”谁知鱼雷竟然从舰底穿过，其他将校也相对默然。但是因为距离太近，鱼雷从舰下穿过，未能触，西京丸得以保全，向南驶离战场。无奈鱼雷已经用完，“福龙”艇遂全退出战斗。中途救起不少堕海飘浮的北洋海军将士。

此时，小日本舰队还剩九舰，与北洋舰队的八舰相对。第一游击队已经迂回到北洋舰队的背后，与本队策应夹攻，使北洋舰队尾难以相顾。由于日舰以排炮击毁定远的信号装置，使其指挥失灵。

北洋舰队诸小队虽然只能各自为战，队形也凌乱不整，但将校用命，士气未减。丁汝昌负重伤不能站立，裹伤后始终坐在甲板上激励将士。

三时四分，定远舰腹忽中一炮，猛烈的火焰从炸开的洞口喷出，定远忙集中人力灭火，攻势转弱而火势不减。日舰第一游击队趁机驶近攻击。镇远、致远见此情形，急向旗舰靠拢，迎战日舰。定远的火灾终于得以扑灭，但致远舰却中弹累累。下午三时二十分，数颗榴弹同时命中其水线，并引起鱼雷射管内的一颗鱼雷爆炸，右舷随即倾斜。关键时刻，致远舰因缺乏堵塞水门的橡皮，未能阻止大量海水从裂缝涌入。见此情形，管带邓世昌依然指挥若定，下令军舰撞向吉野。奈何吉野用其射炮猛烈攻击致远舰，加了舰的下沉，最终使得致远舰推进器悬空，大头朝下沉没。

据美籍海员马吉芬记载：“瞬间，该舰即向一方倾斜。最以勇敢著称之邓舰长世昌，早经觉悟已迫于最期，能破敌一舰，斯可以洁此生，故毅然决然出于杀身成仁之举。冒敌舰所巨弹有如雨霰，加之自舰倾斜已甚，致功业成之际遽尔颠覆，舰先行下沉，推进器直现于空中，犹在旋转不已。惜哉，壮哉！”

邓世昌落水后，拒绝接受救生圈，鱼雷艇左一也来救助，亦不应。其爱犬游到身边衔其臂，被他用力按入水中，自己也随之没于波涛中。全舰二百五十余名中外官兵，除七人获救外，全部葬身大海。战后，邓世昌之死震动了朝野，光绪帝闻其牺牲得极为壮烈，遂亲笔赐挽联“此日漫挥天下泪，有公足壮海军威”，又作诗一云：“城上神威炮千斤，枉资剧冠挫我军；后来无道终许汝；

致远沉没后，位于北洋舰队左翼外侧的济远、广甲二舰就变得孤立于本队了。开战后，济远数次中炮，伤亡十余人，管带方伯谦便挂出“本舰重伤”信号。后来，他看见致远沉没，连忙转舵向西驶离战区，于半夜二时许回到旅顺港。广甲管带吴敬荣见济远西驶，也随之而逃，半夜驶至大连湾外时，慌不择路，船底触礁搁浅。吴敬荣弃船登岸，两天后广甲被日舰驶近击毁。战后，李鸿章奏请严厉惩办逃将，九月二十三日，军机处电寄谕旨：方伯谦军前正法，吴敬荣革职留任。次日拂晓，方伯谦被押至旅顺黄金山下斩。

济远、广甲逃离后，第一游击队死死咬住经远一舰，四面围攻。经远以一抵四，并无畏惧，拒战良久。林永升，左翼左营副将，经远号管带同左翼左营守备陈京莹协同御敌救火，毫不畏惧，表现极为出色，激战中，管带林永升头部中炮牺牲，随后帮带大副陈荣也中炮壮烈牺牲，接着陈京莹接替指挥，全舰将士戮力奋战，不久陈京莹也中炮阵亡，陈京莹牺牲后，经远水兵在没有指挥官的情况下仍然坚持作战。此时，四艘日舰逼近到二千米以内，用射炮实施近距离打击，终于将经远击沉。全舰二百七十余人中，除十六人获救生还外，其余全部遇难。

至此北洋舰队二主力舰沉没、二舰逃走，只剩下定远、镇远、靖远、来远四艘主力舰；小日本舰队一舰重伤逃脱，尚有九艘战舰。日本方面跃居绝对优势。