Ngày 16 tháng 9, Đề đốc hải quân Đinh Nhữ Xương hộ tống hạm đội Bắc Dương đưa quân tăng viện đến Đại Đông Cân, ngày 17 tháng 9 quay về, 11 giờ sáng, trên đường đến Đại Đông Cân, khi qua biển phía nam Hoàng Hải thì gặp hạm đội quân Nhật.

12 giờ 50 phút, hai bên bắt đầu giao chiến. Hạm đội Bắc Dương từ xa bắn loạt đạn đầu không trúng. Chiếc Định Viễn nổ súng vào tầu Nhật Bản khi khoảng cách giữa các con tầu là khoảng 5.500 m, nhưng lại gây hậu quả tai hại một cách không đáng có đối với chiếc kỳ hạm của Trung Quốc. Khi Hải quân Đức mang chiếc Định Viễn để bắn thử pháo vào năm 1883, họ ghi nhận rằng pháo chính 305mm của con tầu không nên được bắn từ một hướng thẳng phía trước, do sẽ dẫn đến sự hư hỏng đài chỉ huy bởi sức giật khủng khiếp của khẩu pháo. Nhưng các chỉ huy Trung Quốc đã không biết (hoặc quên mất) điều đó. Kết quả là loạt bắn mở màn của chiếc Định Viễn lại gây ra một số hư hại cho chính nó.

Đặc biệt, ngay khi trận đánh bắt đầu, Đô đốc Đinh Nhữ Xương cùng với một số sỹ quan khác trên đài chỉ huy đã bị trúng mảnh từ 1 quả đạn pháo của Nhật và bị thương. Thuyền trưởng tàu Định Viễn là Lưu Bộ Thiêm phải thay ông chỉ huy. Đinh Nhữ Xương vẫn ngồi trên boong tàu khích lệ tinh thần quân lính, nhưng không thể chỉ huy được nữa.

Tàu Cát Dã (Yoshino - do chuẩn đô đốc Tsuboi Kōzō chỉ huy) cùng bốn tàu khác của Nhật Bản dựa vào tốc độ nhanh vượt hai tàu thiết giáp Định Viễn và Trấn Viễn, bao vây rồi bắn đạn pháo vào hai tàu nhỏ Siêu Dũng và Dương Uy, cả hai tàu đều trúng đạn bốc cháy, tàu Siêu Dũng chìm, tàu Dương Uy bị hư hại.

Dưới sự chỉ huy của thuyền trưởng Đặng Thế Xương, hai tàu Chí Viễn và Kinh Viễn tiến công mãnh liệt vào tàu Yoshino của Nhật Bản. Tàu Nhật Saikyō (Tây Kinh) lao tới cản đường. Tàu Định Viễn bắn mạnh vào tàu Saikyō khiến cho tàu Nhật bị trúng đạn pháo 305mm, bị hỏng nặng và gãy bánh lái. Sau khi tàu Saikyo bỏ chạy, nhiều tàu Nhật bao vây tàu Chí Viễn, Đặng Thế Xương chỉ huy tàu vừa né tránh đạn pháo địch vừa đuổi theo chiếc Yoshino. Cuối cùng, tàu Yoshino bị Chí Viễn bắn trúng, gây ra một số hư hại. Tuy nhiên, đến lúc đó thì tàu Chí Viễn cũng đã bắn hết đạn pháo.

Đến 2h30 chiều, tàu Yoshino của Nhật Bản làm tiên phong cùng bốn tàu khác xoay sang trái hạm đội Bắc Dương, lao nhanh tới phía trước tàu Định Viễn, phóng ngư lôi vào kỳ hạm của Trung Quốc. Lúc này, tàu Chí Viễn của Đặng Thế Xương chạy đến phái trước tàu Định Viễn để bảo vệ cho kỳ hạm. Tàu Chí Viễn bị tàu Yoshino và bốn tàu khác của Nhật bao vây, bị trúng nhiều phát đạn. Sau 3 giờ chiều, Đặng Thế Xương hạ lệnh tăng tốc tối đa lao vào tàu Yoshino, định cảm tử cùng chìm với địch. Tàu Yoshino bẻ lái để tránh, đồng thời phóng ngư lôi. Tàu Chí Viễn bị ngư lôi bắn trúng và chìm. Đặng Thế Xương cùng 200 thủy thủ tử trận, chỉ hơn 20 người được cứu thoát.

Tàu Kinh Viễn do thuyền trưởng Lưu Vĩnh Thăng chỉ huy cũng chiến đấu quyết liệt, bị trúng đạn và chìm, Lưu Vĩnh Thăng cùng hơn 200 thủy thủ trên tàu tử trận, chỉ có sáu người sống sót.

Tàu Trấn Viễn do Lâm Thái Tăng chỉ huy, một mặt hộ vệ Định Viễn; một mặt chiến đấu, bắn trúng và gây hư hại cho soái hạm Tùng Đảo (Matsushima) của Nhật.

Hai tàu phía trái là Tế Viễn và Quảng Giáp của các thuyền trưởng Phương Bá Khiêm, Ngô Kí Vinh thấy tàu Chí Viễn bị chìm liền hạ lệnh bỏ chạy.

Trong cuộc chiến đấu ở Hoàng Hải, phía Nhật Bản bị trọng thương 5 tàu. Chiếc kỳ hạm Matsushima có hơn 100 người chết và bị thương sau khi bị trúng một phát đạn pháo hạng nặng của Trung Quốc; chiếc Hiei cũng bị hư hỏng nặng và phải rời khỏi trận chiến, chiếc Akagi bị cháy lớn và có những mất mát lớn về nhân sự; chiếc Saikyō trúng liên bốn phát đạn pháo 12 inch (305 mm) và bị hỏng nặng, tổng số là khoảng 180 thủy thủ Nhật Bản bị giết chết và hơn 200 người bị thương.

Hạm đội Bắc Dương thì bị chìm 5 tàu và bị hư hại vài tàu khác, tổn thất của hạm đội Bắc Dương lớn hơn nhiều so với hạm đội Nhật Bản.

Sau này, Lý Hồng Chương đã không dám để hạm đội tiếp tục chiến đấu, ra lệnh cho hạm đội quay về Uy Hải Vệ. Đến tháng 2 năm 1895, nổ ra Trận Uy Hải Vệ, toàn bộ hạm đội Bắc Dương bị Nhật Bản tiêu diệt.