没错，经过3个小时的全速前进，北洋水师到达了威海卫以北海域。以战列舰“致远”号为核心，重巡洋舰“经海”号、“太风”号、“拔风”号为主力，还有5艘轻巡洋舰，“拓海”号、“撼海”号、“崇海”号、“雄海”号、“掣海”号，航空母舰“星洋”号，二十三艘驱逐舰组成的北洋水师主力舰队，放在任何一个区域，都是一支令人畏惧的海军力量。可惜的是，北洋水师却处于世界两大海军强国——明国和日本之间，相形见绌了。
到达二十三公里的距离时，清军“致远”号战列舰率先发出了怒吼。350毫米口径的四联装舰炮将炮弹送入敌阵。在海军舰炮口径普遍遵循英寸整数的主流设计下，清国海军反其道而行之，将舰炮口径定为35公厘，作为战列舰，其火力反而与战列巡洋舰“金刚”“比睿”的14英寸（356毫米）主炮持平。不过，“致远”的主炮是四联装，而“金刚”“比睿”的主炮是双联装，这样一来，同样是一轮射击，“致远”的炮弹数量是后者的两倍。
“金刚”“比睿”这对患难与共的姊妹舰一起发起反击，奈何舰况实在太差，轰击效果欠佳。“滩风”号，“矢风”号，“羽风”号，“汐风”号，“秋风”号，“野风”号，“波风”号，“吹雪”号八艘驱逐舰排开一字战列，随时准备投射鱼雷，“妙高”号，“古鹰”号，“加古”号，“青叶”号四艘重巡洋舰则护在“金刚”“比睿”身前，发射着中口径舰炮。
威海卫分舰队仅存的三艘战舰，旗舰“伏海”号重巡洋舰、“忠勇”号、“义勇”号驱逐舰，如逢大赦，在烟幕弹的掩护下，以尽可能快的速度脱离战场，返回威海卫。
互射七分钟后，“比睿”号中了三发350毫米舰炮，甲板再次陷入火海之中。第二波陆基海军轰炸机赶到，这次他们将目标对准了“比睿”号。上次一发未中的鱼雷机知耻后勇，贴近到只有200米才投下鱼雷，7枚鱼雷接连命中“比睿”号，这艘日本国民节衣缩食造出来的巨大战舰在沉闷的爆炸声中，冒出大量气泡、白雾，舰身遽然倾斜，水平线迅速没过甲板，在水兵的一片惨嚎声中，缓缓沉入海底。
“金刚”号吃下了20来枚炸弹，不过并未构成什么致命伤，反而打下来7架清军的海军轰炸机。日军快速舰队指挥官末次信正终于下令：
舰队向东撤退！
“金刚”号经过抢修，航速勉强提升到24节，这个速度和“致远”号的速度差不多，因此双方始终无法拉开距离，互放鱼雷和舰炮，空中穿梭着来来往往的炮弹，热热闹闹地打了2个多小时。因为距离太远，双方都没有太大的损失。清军航空母舰“星洋”号不断起降着双翼海军轰炸机，攻击快速舰队，但因为日军驱逐舰殿后的关系，始终没有太大的战果。
已经是傍晚了，北洋水师新任提督林广升开始忧虑起来：日军的主力现在到底在哪里？夜幕即将降临，联合舰队可是极其擅长夜战的啊！日军的战法也明显地改变了，北洋水师追击，他们就逃窜，北洋水师试图脱离接触，他们就跟来，始终保持着舰炮“够得到”的距离。林广升下令航空母舰“星洋”号的战斗机向东、向北方向进行搜索，尽早发现日军主力舰队出没的踪迹。
在陆基、舰载两种海军轰炸机的轮番攻击之下，“金刚”号大量进水，舰身倾斜，速度也降到15节左右，无法继续作战了。可惜天色已经暗下来，飞机在黑暗中无法继续攻击，还好“金刚”号燃起的熊熊大火经久不灭，在夜色之中，可谓是洞若观火。
北洋水师大小战舰，只要射程够得着，就都瞄准着火光继续射击。天黑后半个小时，“金刚”号发生了大爆炸，火光辉映半个天空，亮如白昼。日本战舰特有的高耸舰桥炸飞到半空，将这大爆炸衬托得壮烈无比。
北洋水师所有战舰上都爆发出了经久不息的欢呼。“金刚”“比睿”这两艘排水量近3万吨的巨舰，一天之内全被击沉，这对于日本联合舰队来说，无疑是一个巨大的打击。失去了旗舰的快速舰队并没有拉起最高速度，与北洋水师脱离接触，反而逐步拉近了交战距离。
“鱼雷！400米！240度方向！”
“鱼雷！600米！260度方向！”
“鱼雷！300米！220度方向！”
接二连三的鱼雷报告传入“致远”号的指挥室内，所幸水师提督林广升早有准备，预先变换了航线，此刻下令全速左满舵，避过了大多数鱼雷，无奈鱼雷网太过密集，舰艏偏右处还是吃了一枚鱼雷。北洋水师阵型内陆续响起四声爆炸，林广升急喊：
“各舰报告损坏情况！”
“一枚鱼雷命中‘拔风’号右舷！”
“一枚鱼雷命中‘崇海’号右舷！”
“两枚鱼雷命中‘星洋’号左舷！”
不出所料，中鱼雷的都是大型战舰。日军借着夜色的掩护，逼近到了10公里以内的距离，将大量鱼雷交叉投射过来，杀伤力确实很大。日军夜间火炮打得也很准，对北洋水师造成了不小的威胁，北洋水师的战舰只能一味地向对面打照明弹，但是可见度依然很差，只能依稀凭着日舰开炮的火光，予以模糊的还击，至于杀伤效果，更是不得而知了。
到午夜2时许，北洋水师有两艘轻巡洋舰“崇海”号、“雄海”号，一艘驱逐舰“浩威”号被击沉；日军一艘重巡洋舰“古鹰”号和两艘驱逐舰“滩风”号、“矢风”号也相继沉没。这些战舰，大多数都是被鱼雷击沉的。
就在双方无力再给予对方更大打击之时，从东方忽然闪起一片可怕的火光，十几秒过后，传来沉闷而浑厚的密集炮声，大量曳光炮弹从天而降，落入清军战舰群中，命中了大片战舰，其中中弹最多的“拔风”号巡洋舰当即爆炸起火，将其他战舰照亮。
“二十二公里，日军战列舰！数量不详！”
林广升是亲眼看到那些炮火袭来的。二十年的海军经验告诉他，这种威力、这种射程的舰炮，一定是战列舰所发出。按照炮弹的密度来算，那里的战列舰一定有四艘——也就是说日军所有的战列舰都出动了！说不定还有一艘战列巡洋舰“雾岛”号！
就这样，北洋水师和联合舰队在小小的威海卫海域遭遇，并爆发了激战！
而此时的陈步秋，已经率威海卫分舰队残部返回了威海卫。回到陆地上，陈步秋连辫子和眉毛都在大火中烧没了。他踉跄数步，伏地大哭，令岸上三军动容。
远处隆隆的炮声和爆炸声持续了一整夜，威海卫市民的心也揪了一整夜。这个二十万人口的城市，几乎无人入眠。
随着破晓的第一缕阳光照向大地，海上的消息也随即传来：
北洋水师与联合舰队仍在激战！日军主力舰“长门”号、“陆奥”号、“伊势”号、“日向”号四艘战列舰以及“雾岛”号战列巡洋舰，全都出动参与了威海卫海战。日本联合舰队所有三艘航空母舰“赤城号”、“加贺号”、“凤翔号”也参与了海战，大量舰载机在和清军刚刚起飞的陆基战斗机搏杀之余，还猛烈攻击着北洋水师的大小战舰。
威海卫街头，人心惶惶。
“这倭国人少地窄，咋就这么牛呢？”
“倭人会不会打进威海卫来？我可听说倭人在朝鲜见人就杀的！”
“咱大清地大物博，说破大天去，还能打不过小小的倭人？”
“喂，你还真别说，倭人的水师厉害得很呐！”
“是啊是啊，你们听那炮，我听说人家倭人可是有六七艘主力舰呐！”
鏖战至中午，困倦的威海卫市民听到了海上惨败的消息：
在联合舰队主力舰、航空兵的打击之下，北洋水师大部被歼。上百架舰载机对“致远”号战列舰进行了密集的打击，致其爆炸沉没，其余大小战舰被以“长门”号为主力的联合舰队战列舰的战列线炮击击毁大半，逃回威海卫的战舰不足十艘。
威海卫陷入了极度恐慌之中。
