有意思的是，后来北洋舰队临时改变了部署，增派了几乎全部的主力军舰护航。而已经出航的日本舰队对此并不知情，否则，日本联合舰队应该会倾巢而出，北洋舰队可就惨了。就这样，北洋舰队一个泄密的情报竟然不经意间误导了对手，暂时挽救了自己一次。
　　日本舰队于16日下午离开临时锚地，向大连湾附近的海洋岛及附近的大鹿岛一带海域进发，搜索中国运兵船和护航舰队的踪迹。17日上午10时20分，日本舰队最前列的“吉野”舰首先发现了烟柱，随即用旗语向整个舰队报告。日军上下一片欢腾，以为终于逮到软柿子了，可以毫不费力地将前方实力弱小的舰队全部击沉。
　　这里得说明一下，由于距离较远，海面是弯曲的，日军刚开始只能看到前方天际的烟柱，却看不到海面上的舰体，所以无法准确判断出北洋舰队的具体数量。随着距离的靠近，11时30分，日军发现前方的烟柱越来越多，军舰也一艘艘逐渐出现在视线中：一艘，两艘，三艘……总共18艘！
　　天哪！前方竟然是几乎包括了北洋海军全部精锐的大舰队！
　　伊东佑亨大吃一惊，看来以多打少的围歼计划落空了。不过，此时参战的日本舰队数量虽少于北洋舰队，但总体实力仍明显占优势，总吨位、火炮及鱼雷发射管总数、总兵力均超过对手不少，特别是速射炮优势更为明显。伊东佑亨觉得仍然可以向北洋舰队发起攻击，于是下令，全体士兵马上就餐，镇定精神，做好战斗准备。

　　由于燃煤质量及风向等原因，直到中午12点，北洋舰队瞭望兵才发觉到西南方向有大量烟柱，接着烟柱下方的日本军舰依次显露出来。
　　12时10分，丁汝昌下令舰队全部起锚，向南驶往开阔海面，准备迎战日本舰队。这样做的目的之一，是为了保护后面还在实施登陆任务的运兵船远离战场，以免受到日本舰队的攻击。
　　12时50分，在6000米左右的距离上，北洋舰队旗舰“定远”的305毫米主炮首先开火，战斗正式打响。
　　日期：2011-10-21　23:54:03
　　（116）
　　开战没多久，北洋舰队的炮弹首先击中日军旗舰“松岛”，打坏了该舰一座320毫米主炮炮塔。日军很快也还以颜色，发炮命中北洋舰队旗舰“定远”的舰桥。很不幸，提督丁汝昌因此严重烧伤，无法继续指挥战斗，但仍坐在甲板上督战，激励士气。本来实力就偏弱，刚一开战主帅又挂彩，这无疑是雪上加霜。
　　随着时间的推移，日本舰队高航速的优势显现出来。他们将北洋舰队的阵型打乱，分割开来逐个围攻，再加上速射炮的威力，很快就占据了上风。
　　北洋舰队“超勇”舰首先沉没，后来“经远”舰也被击沉。 “济远”舰管带方

　　伯谦临阵脱逃，慌乱中竟然将本已受重创的“扬威”舰撞沉（战后方伯谦被定罪处决）。旗舰“定远”被围攻，燃起大火，“致远”舰管带邓世昌见状挺身而出，下令冲过去和多艘日舰拼杀，以掩护旗舰。
　　旗舰转危为安，但“致远”舰却遭受重创，行将沉没，而且炮弹也快打光了。与其坐等沉没，不如临死前拉上个垫背的。管带邓世昌下令高速撞向日军最新锐的“吉野”舰，却不幸途中被日军集中火力击沉，功败垂成。邓世昌和全舰将士一起，随舰壮烈殉国。这一天，正好是邓世昌45岁的生日。
　　不过，北洋舰队也不是完全被对手压着打而毫无还手之力。英勇顽强的北洋将士们，带着满腔怒火，将一发发炮弹射向敌舰。日舰“比睿”、“赤诚”、“西京丸”、“松岛”、“吉野”先后受重创，舰上的日军被炸得屁滚尿流，血肉横飞。
　　特别是日军旗舰“松岛”，多次被北洋舰队大口径火炮击中，甚至还一度燃起大火。可惜的是，北洋舰队储备的炮弹大部分都是实心弹，威力巨大的开花弹数量太少，开战仅一个半小时就发射完了，后面的3个多小时里，大口径火炮只能发射根本不会爆炸的实心弹。
　　“松岛”舰后来多次被北洋舰队的实心弹击穿甲板，但却一直没有受到致命打击。如果北洋舰队能跟对手一样，用的都是开花弹，旗舰“松岛”早就沉没了。而且我们有理由相信，其他几艘受重创的日舰也很有可能最终沉没。若真如此，实力大损的日本海军一定会收敛不少，不可能再肆无忌惮了。

　　回过头来看，不提增购新式军舰火炮的事，如果当初备战稍微充分些，多买开花弹，哪会如此被动？
　　战斗打到后面，北洋舰队4艘军舰沉没，2艘军舰受伤后撤浅水区紧急维修，2艘军舰逃跑，导致核心主力舰“定远”、“镇远”被日本5艘军舰围攻，看样子凶多吉少了。
　　好在“定远”、“镇远”两舰属于大吨位铁甲舰，装甲防护力很强，虽然身中数百枚炮弹，但一直未受致命伤。日本人当年曾被亚洲第一巨舰“定远”、“镇远”震慑，一直视其为眼中刺，此战一心想击沉两舰，这样北洋舰队基本上就废了。可是漫长的围攻之下，两舰依然顽强反击，没有沉没的迹象。一名受伤的日本水兵绝望地哀叹：定远舰怎么还打不沉啊？

　　时间邻近下午六点，夜幕即将降临，日本舰队司令伊东佑亨担心北洋舰队鱼雷艇趁机偷袭，于是下令全军停止战斗，撤离战场。
　　平心而论，这一仗北洋舰队其实打得不赖。自己虽然沉没4艘军舰（另一艘逃离战场时触礁搁浅，后自毁），但也重创了日军包括旗舰在内的5艘军舰。要不是开花弹严重不足，很可能最终会击沉数艘日舰，差不多打个平手。
　　打完这一仗，北洋舰队损失严重，再也无力与日本舰队进行硬碰硬的主力决战了，只得采取防守自保策略，大部分时间躲在港口里不出来。这样一来，黄海乃至渤海的制海权基本上就让给日军了。
　　对于中国来说，形势已越来越严峻。