同時讓第四小隊擔負起護衛附屬艦的任務，第五小隊擔負準備收降日本軍艦的任務。
日本海軍根據自己軍艦速度快、舷側速射炮多的特點，一直視單縱陣為制勝法寶。此時日艦見到北洋艦隊的陣形，決定避開定遠和鎮遠兩艘鉅艦，以快速的第一遊擊隊先攻擊敵人最薄弱的右翼。於是，行駛在一字陣前部的第一遊擊隊由8節航速加速至10節，並向右轉舵，漸漸地與本隊拉開了距離。這樣，一字陣就斷為前後兩截。
北洋艦隊司令發現這一變化，立刻下令開炮。緊接著，北洋艦隊各艦一齊發炮轟擊。三分鐘後，日本在已經有六艦中彈，武藏艦沉沒的情況下才開始還擊。剎時間，雙方各艦百炮一齊怒放，硝煙瀰漫，海水沸騰。
海戰打響後，日艦第一遊擊隊見北洋艦隊來勢兇猛，特別是“畏定、鎮二艦甚於虎豹”，所以一面發炮一面加速從定遠、鎮遠二艦前面奪路而行，直撲北洋艦隊的薄弱右翼經遠、來遠、濟遠、廣甲四艦。高千穗、秋津洲和西京丸、天龍四艦集中火力猛攻，經遠、來遠竭力抗擊，濟遠、廣甲二艦也迅速夾擊，鎮倭（原日本吉野艦），鎮夷（原日本扶桑艦）、安東（原日本浪速艦）、鎮西（原日本赤城艦）四艦也迅速支援，致使日艦多處受傷，下午一時二十分，一顆炮彈穿入天龍彈藥艙內，引起大爆炸，剎那間，黑煙遮蔽全船，天龍一分兩截，迅速鑽進海里。高千穗、秋津洲和西京丸三艦慌忙後撤，被從側面橫切過來的定、鎮二艦封住了退路，三艦稍加猶豫就都淹沒在炮火中，相繼掛起白旗，企圖逃躥。但丁汝昌立刻發出嚴令：“如欲投降馬上退到我左側，向我艦繳械，接受我艦收降，否則格殺無論！”
三艦見已經沒有退路，而且也失去了戰鬥力，只好聽命開到我艦左側，接受鎮東（原日本大和艦）超勇、揚威三艦的收降。
日艦千代田、橋立發現這一情況，立刻朝我收降軍艦撲來，超勇、揚威兩艦迅速擋住敵艦，雙方激戰起來，威海（原日本松島艦）、營口（原日本嚴島艦）立刻以火炮支援，打得日艦相繼起火，只好逃出射程之內。，
但在此時揚威也在同時起火，右舷傾斜，不得不駛離戰場，退到有我輔助艦的右方。
日軍在第一遊擊隊開始炮擊超勇、揚威的同時，以旗艦天城為首的日艦本隊也到達定遠艦的正前方，雙方展開了猛烈的炮擊。十二時五十三分，大島的一顆炮彈擊中定遠的桅杆，正在艦橋上督戰的丁汝昌被震落到甲板上，身受重傷。副司令林泰曾當即代為督戰，指揮戰艦不斷變換方位，使日艦不能瞄準定位。此時，天城也成了北洋艦隊的炮火集中打擊的目標，十二時五十五分，一顆炮彈擊壞天城的三十二公分主炮塔，天城見定、鎮二艦炮火強大，急忙率本隊轉舵向左，加速駛避。北洋艦隊也全隊隨之向右轉舵，繼續以艦首指向日艦。而位於日艦本隊後半部的八重山、筑紫、愛宕、摩耶、鳥海等艦，因速度遲緩，遠遠落在後面。被我艦隊攔腰截為兩段，形勢大為不利。
北洋艦隊抓住時機發動猛攻，各艦以右翼炮轟擊天城等前隊，又以左翼炮轟擊後面的千代田、橋立等艦。一時四分，天城的指揮艙被定遠擊毀，而其左翼的比睿見情勢緊急，向右急轉彎，試圖從靖遠和定遠之間穿過，與本隊會合。然而，比睿立即遭到北洋艦隊的包圍，炮彈從四面飛來，傷亡嚴重。靖遠見狀遂停止炮擊，攜帶步槍的突擊隊排列在甲板上，準備靠近比睿，將其俘虜。在危急中，比睿的速射炮拼命發射，五分鐘內發射了一千五百多發，使靖遠難以靠近。定遠見此情形，從右後方發炮轟擊、比睿被其三十公分半巨彈擊中，下甲板後部全部毀壞，頃刻間，烈火騰空，軍艦失去戰鬥力。只好也打出白旗撤到我艦左側，向我艦投降。
見我艦緊逼日軍本隊軍艦，日軍的六艘魚雷艇立刻衝上來纏住我艦隊，使我艦隻有定遠、鎮遠和掩護他們的靖遠和來遠四艦衝了上去。
鎮倭艦和鎮夷艦、鎮東、鎮西、安東、威海、營口七艦立刻圍住日魚雷艇猛攻，日山鷹艇被擊中沉沒，其餘五艇繼續死戰，連連發射魚雷，都被我艦擊中，中途爆炸，爆炸把日軍七號艇擊中，也沉進了大海。剩下四艇慌忙逃躥，十二號艇又被鎮倭艦擊中，沉入了大海。
位於本隊左側的大島艦，速度更為遲緩，落在最後。天龍艦駛離後，大島孤立無助，完全暴露在北洋艦隊左翼的炮火下，中彈累累。一時二十分，定遠後部的十五公分炮彈擊中大島艦橋，一號炮手、二號炮手及兩名水兵中彈身亡，正在看海圖的坂元艦長被彈片擊中頭部，鮮血染紅了海圖。坂元死後，大島仍不