由于提前接到了来自德国和美国公使的提醒，联合舰队出动全部军舰参与了本次护航，所以此时此刻伊东祐亨有一种如释重负的感觉，开战以来一直盼望的这一天终于来到了。
为了扭转战场颓势，北洋舰队自然也是主力尽出，希望毕其功于一役。
上午十点，两军距离拉近到10千米，此时，双方的阵容已经看得十分清楚。北洋舰队摆开燕型横阵迎敌，定远、镇远二舰一马当先，左翼为致远、靖远、杨武、超勇和平远五舰，右翼为经远、来远、宁远、抚远和广甲五舰，鱼雷艇“福龙”号位于阵中，伺机出动。
由于准备充分，主力尽出之下，丁汝昌此时也颇有豪气。
两军相距5400米处，定远的305毫米大炮首先发炮轰击，炮弹落在了一游旗舰“浪速”号右舷50米外，一道水缸粗细的水柱从海面跃起。
随即，一游五条军舰在坪井航三的指挥下，以纵队插向北洋舰队的左翼，其目标十分明确，就是要充分发扬舷侧火力，并优先打击防护较弱的清军左翼五舰。
由于北洋舰队此番准备充分，德制火炮都备足了开花弹，所以战斗异常激烈。
在丰岛海战后的晚间追击战中，邓世昌充分意识到，实心弹在对付穹甲巡洋舰方面的不足，所以当以“浪速”号为首的一游五舰冲来时，北洋左翼五舰全部将开花弹推入炮膛。
于此同时，以葛成、天城等四艘炮舰组成的第二游击舰队则紧紧跟在一游的后面，其目标在于切断清军左右两翼的联系，并伺机和定远号进行接舷战。
联合舰队本队则以“大风”号、“凤翔”号两艘购自德国的改装铁甲舰和松岛等三艘装备320毫米口径重炮的三景舰负责攻击定远和镇远；扶桑、比睿、赤城和千代田四舰则负责牵制和攻击北洋右翼。
两小时后，经过一番激战，战场形势终于变得明朗，受益于刚刚从德国购买的半穿甲弹的强大威力，“浪速”号和“高千穗”号上的总计四门260毫米克虏伯重炮以为数不多的几颗命中弹便彻底击沉了致远和靖远。
克虏伯公司的这种新式半穿甲弹在保留一定穿甲威力的基础上，拥有很强的爆炸威力，而260毫米口径的半穿甲弹足以击穿致远和靖远5英寸普通钢板的穹甲保护，射入其核心舱。
其中，致远舰被浪速前主炮射出的炮弹击中锅炉仓，炮弹的爆炸引发了锅炉的爆炸，船底被炸破，军舰短短几分钟内便倾覆了；靖远舰则被高千穗号后主炮直接命中弹药库，由于弹药库中储备了大量的高爆弹，引爆之下舰体瞬间被炸断为两节，甲板上的交通艇飞起了十几米高。
杨武、超勇两舰本身就是无防护巡洋舰，在吉野和高砂两舰一通小口径高爆弹和中口径（150毫米）半穿甲弹的猛攻坚持了30分钟便沉没了。 .knshm
只有“平远”号坚持了较长时间，一方面，其水线装甲带较为完整和厚实，可以阻挡150毫米半穿甲弹的攻击，另一方面也是由于浪速和高千穗此时已经受伤，火力损失严重。管带李和见友舰相继沉没，而己舰也被大火覆盖的情况下，撇开日舰，驶往附近的大鹿岛浅水区，进行灭火作业。
虽然一游战果辉煌，但是冲在最前面的浪速和紧随其后的高千穗两舰均遭受重创，致远和靖远发射的十几发210毫米开花弹将两舰的甲板和水线打得千疮百孔。最致命的一次攻击来自“平远”号的260毫米重炮，该炮发出的一发开花弹直接命中了浪速的后主炮，炮弹爆炸又引发了甲板上堆放的大量发射药，而后又引发了副炮弹药和鱼类仓的连环爆炸。大爆炸将军舰的主甲板以上炸成一片废墟，水兵。一游司令官坪井航三当场被炸死，舰长东乡平八郎因在司令塔中，依靠司令塔的装甲保护才侥幸捡回一条性命，不过头部亦受重伤。全舰除在机舱、锅炉舱和弹药库工作的水兵外，其余三分之二的官兵或死或伤，军舰再无战力。
其他几处战场，虽然战斗亦激烈，但比起北洋左翼的战斗还是要逊色不少。一方面，定远和镇远大口径的主炮的威胁使日舰不敢过于靠近，另一方面，北洋右翼的经远和来远二舰火炮射速较慢，而新锐的宁远和抚远二舰的88毫米速射炮难以对3000米外的目标造成威胁，只能以舰首的一门105毫米速射炮攻击。
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