1894年(光绪二十年)9月，清军在平壤与日军作战失利，清廷决定以舰载陆军至鸭绿江口大东沟登陆，增援驻朝鲜清军。13日，李鸿章派招商局新裕、图南、镇东、利远、定海等运兵船在6艘军舰、4艘鱼雷艇护送下，由总兵刘盛休统辖铭军12营从大沽口驶往大东沟。为保途中安全，运兵船路经大连时，李鸿章又加派北洋舰队主力护送。9月16日凌晨，海军提督丁汝昌统率北洋舰队自大连出发，中午到达大东沟口。提督丁汝昌派镇中、镇南2艘炮艇和4艘鱼雷艇护送陆军上岸。平远、广丙两舰停泊港口外，定远、镇远、致远、靖远、经远、来远、济远、超勇、扬威、广甲10艘军舰停泊港外12海里，以防日舰偷袭。日本联合舰队司令、海军中将伊东枯享于9月14日窃得清军奉天练军从大孤山派兵警戒大、小鹿岛和海军护送陆军在鸭绿江口登陆的情报后，决定袭击北洋舰队主力。
9月15日17时，日舰12艘由小乳蠹岛出发。16日6时30分，抵达海洋岛。因未见清舰队踪影。便以本队主力舰队松岛、千代田、严岛、桥工、比睿、扶桑，游击舰队吉野、高干穗、秋津洲、浪速及随行舰只赤城、西宁丸，以临战队形向东北大、小鹿岛方向搜索前进。9月17日，天气晴朗。7时，清运输舰将陆军辎重全部运抵大东沟岸。9时，丁汝昌下令午饭后返航旅顺。10时，见黑烟一缕自西南而来，经测望，舰船均悬挂美国国旗。11时，舰船驶近。突然改挂日本国旗。丁汝昌下令起锚迎战。镇远、定远为第一队，致远、靖远为第二队，经远、来远为第三队，济远、广甲为第四队，超勇、扬威为第五队，定远、镇远居首，成犄角双纵列阵形。而旗舰管带总兵刘步蟾却指挥各舰排列一字相并横队。以主舰居中，以来远、镇远、定远、经远为中军，济远、广甲、致远为右翼，扬威、超勇、靖远为左翼。当丁汝昌发现阵构不对时，日舰已采取单纵列战斗队形欲横攻清舰最弱的右翼，再调整队形为时已晚。
12时50分，战斗打响。3分钟后，日舰吉野被击中一炮。5分钟后，日军旗舰论岛被击中。稍后，北洋舰队旗舰定远也被日舰击中，丁汝昌受伤，帅旗、信号槁桅被摧毁，舰队失去指挥、联络。日军前锋吉野、浪速、秋津洲、高千穗4艘高速巡洋舰越过定远、镇远，攻击北洋舰队左翼阵角的小舰扬威、超勇，两舰中弹起火。此刻，北洋舰队右转45度，还击日舰队本队，打乱其队形。以密集炮火打得日舰比睿慌不择路，带着大火窜进北洋舰队阵内，舰甲板被定远舰击中，19人被打死。日舰赤城樯头亦被击毁，舰长板本毙命。日扶桑舰受重伤逃逸。日帅伊东见比睿、赤城处境危险，传令军令部长华山资纪指挥西京丸前往救援，亦遭到猛烈炮击，舵机被击毁，燃起大火。
14时23分，日游击舰队与本队对北洋舰队再次夹击，超勇舰被击沉，管带黄建勋落水殉职。致远舰久战后，舰伤弹尽，管带邓世昌对大副陈金揆大声喊道：“日舰专恃吉野，苟沉是舰，则我军叮夺其气也。”便令舰开足马力向吉野冲去，欲与日舰同归于尽。冲击途中撞上日舰发射的鱼雷，锅炉被炸裂。15时30分，致远舰沉没。邓世昌殉国，时年46岁。致远舰250中船员仅有7人生还。济远舰在撤退途中将中弹起火的扬威舰撞破下沉，管带林履中跳水自尽，舰上65名士兵被鱼雷艇救出。靖远、来远受到重创，驶出阵外抢修。经远舰随致远舰冲锋在前，与日舰激战，管带林翼升和大副、二副先后阵亡，后被4艘日舰围攻击沉。广甲随济远逃出阵外，半夜驶至大连湾三山岛上触礁。
15时，日舰松岛、千代田、严岛、桥立等集中火力夹攻定远、镇远。59岁的海军提督丁汝昌受伤不下火线，坐在甲板上鼓励将士杀敌。旗舰管带刘步蟾代替指挥。激战1小时定远起火，火炮无法射击。日旗舰松岛被镇远两门火炮击中，甲板弹药爆炸，烈焰升空，日军官兵死伤213人。日帅伊东督众抢救，炮毁不能再战，丧失了战斗指挥能力。镇远中弹较多，舰面装备破毁。17时左右，靖远、来远归队。靖远舰代旗舰升旗，将平远、广丙、镇南、镇中炮舰和两艘鱼雷艇集中起来与定远、镇远汇合，向敌舰冲去。日舰多受重创，不敢再战，向南退去。中国舰队尾追数海里，见敌舰远遁，返航旅顺。
大东沟海战，北洋舰队损失扬威、超勇、致远、经远、广甲5舰，军官战死87人，士兵伤亡1000余人。日舰多艘受重创，死伤300余人。