日本军舰凭借灵活的特点，及时转换阵型和战斗方式，短短两个小时之后，战争的局势就发生了逆转。
定远舰的信号旗被日军击落，北洋舰队失去统一指挥，与此同时，总指挥丁汝昌也身负重伤，只好将临时将指挥权交由刘步蟾代为接管。
在一片混乱中，比睿舰遭到北洋军舰的重击，赤城舰的舰长坂元八郎太被击毙，可是因为这些都是日本比较弱势的舰队，对整个战局并不能产生任何影响，想要提振士气，就必须要打掉敌人的一艘主力舰。
担起指挥责任的刘步蟾迅速巡视战场，将目标放在了不远处的“松岛舰”上。“松岛舰”是日本为了打穿“定远舰”厚厚的甲板专门制作的军舰，其上有日本专门定制的320mm38倍口径的巨型火炮。在日本人看来，“松岛舰”就是“定远舰”的克星。
刘步蟾
下午15：30分左右，“镇远舰”先后发射了两枚炮弹，一枚击中了4号火炮炮身，一枚击中4号火炮的钢盾。
巧合的是，“松岛舰”4号炮是阿姆斯特朗速射炮，需要快速装填弹药。因此日军将大量的弹药全部堆积在炮架旁，“镇远”第二发炮弹刚好落在这些炮弹上，一时间，4号炮台的113名日本海军全军覆没。
这一战况无疑大大鼓舞了北洋水师的士气。可是好景不长，“超勇”和“杨威”两艘军舰因为被日军炮击命中，瞬间燃起熊熊大火，不得不退出战场。
经过三个多小时的激战后，北洋军舰已经明显处于下风。“致远”和“经远”两艘军舰明显出现火力不足的情况，并且开始逐渐向右倾斜。
可能有很多人感到奇怪，为什么日军的舰艇遭受到如此严重的打击为什么始终没有沉落，难道是北洋水师的打得不行吗？
其实这是因为北洋军事使用的炮火力量不够，当时使用的炮弹有实心弹和开花弹两种，实心弹不能爆炸，只能将目标炸出一个窟窿，开花弹威力大，能够对周围产生巨大的冲击力。可是因为清政府不够重视海军的发展，开花弹中装的全部都是黑火药，威力远远不够击沉日本军舰。
在此关键时刻，“致远舰”管带邓世昌加足火力朝着“吉野号”冲了过去，最终“致远舰”因为被击中锅炉房不幸沉没，除了少数人被一旁的鱼雷艇解救，其余人全部牺牲。
“济远舰”方伯谦和“广甲舰”吴敬荣见形势危急，竟然不顾其他战友性命，下令撤离战场，尽管方伯谦后来被斩首示众，但是仍旧改变不了世界上第一例海战中临阵脱逃的事实。
到下午5点左右，仅剩下“定远舰”和“镇远舰”这两艘主力在苦苦支撑，尽管已经中了日军两百多炮，可是“定远舰”凭借坚固的装甲，丝毫没有沉没的趋势。
下午17:30分左右，耗尽弹药的日军不得不扬起“不管旗”，撤离了这片战场。
尽管这场战役看起来双方势均力敌，可是在后期补给上，清政府显然是远远不如日军的。“定远舰”在遭此重创后急需维修工，可是北洋水师始终召集不到能够维修军舰的维修工。而反观日本，仅用了5天时间就将所有的军舰全部修复。
日本恢复元气后，迅速向旅顺地区发起进攻，万般无奈之下，丁汝昌为了保存北洋水师的实力，只好带领北洋舰队退往威海卫。
