因此，平壤陷落的第三天，即9月17日，日本海军联合舰队便在鸭绿江大东沟附近的海面上挑起了一场激烈的海战——黄海海战。
1894年9月16日，北洋海军提督丁汝昌率北洋舰队护送招商局轮船运兵至鸭绿江口大东沟登陆。不料这一军事秘密事先已被日本从美国人那儿得知。17日上午北洋舰队准备返航时，突遭日本联合舰队袭击。丁汝昌立即下令迎战，列成人字队阵的北洋舰队，以定远、镇远居中直扑敌舰。战斗开始时，定远发炮震塌飞桥（一说被敌炮击塌，不确），在飞桥上督战的丁汝昌被摔伤，随之信旗被毁，各舰失去指挥。日舰利用航速快、速射炮位多的优势，避开北洋舰队定远、镇远两主力舰，绕向北洋舰队侧后，以左右舷炮轰击两翼小舰，而以首炮狂轰定、镇两舰背后，致使北洋舰队队形混乱，陷入被动局面。致远号和经远号重创后在管带邓世昌和林永升指挥下，奋力冲向敌舰，直至中鱼雷相继沉没。定远、镇远、靖远、来远四艘北洋主力舰，在被敌舰分隔包围的逆境中，反而越战越勇、拼死搏斗。定远号管带兼总兵刘步赡，负起全部督战的重任，镇定自若地指挥战斗，给予敌旗舰以致命的重创。战斗持续了约五小时 （12时50分海战开始），日本舰队首先撤离，北洋舰队亦返回旅顺。