这天早晨天气晴朗，海上风平浪静。圆满完成护航任务的北洋海军官兵心情愉悦，在船舰上凭栏远眺，只见海天一色，波光粼粼。9时左右官兵们照常列队操演。自丰岛海战以来，北洋海军官兵渴望与敌军决一胜负，士气旺盛，个个精神焕发。为了让官兵接受丰岛遭袭教训，全身心投入到备战中，丁汝昌让各舰撤掉舢板，表示与舰船共存亡的决心，还将舰上不必要的物件和易燃品移到别处，以减少战斗时起火的可能。舰体被涂成银灰色以更好地起到掩蔽作用，舱面等部位堆积了三四尺高的沙袋作掩体，沙袋内则藏有炮弹以供紧急时快速取用。
演习结束已近中午。就在官兵准备就餐时，瞭望兵突然发现一支舰队驶过来。丁汝昌迅速带领将士登上“定远”号旗舰前方的飞桥。从望远镜看，舰队悬挂的是美国国旗。丁汝昌深知日军惯于偷袭，不敢掉以轻心，一面目不转睛地继续观察，一面命令士兵升火准备。将士们有的连饭也没吃一口，立即回到各自岗位。那支舰队果然来者不善，逼近北洋舰队时突然全部改悬日本国旗。
平静的海面顿时漾起簇簇黑烟，一场恶战即将开始。丁汝昌下令各舰起锚列队迎敌。霎时间，战斗喇叭声响彻舰队，在海上四散开来，浓黑的煤烟遮天蔽日。丁汝昌站在飞桥上，与右翼总兵、“定远”舰管带刘步蟾和汉纳根一边注视日舰动向一边商量对策。丁汝昌传令，以“定远”“镇远”为第一小队，居于舰队之首；“致远”“靖远”为第二小队，“来远”“经远”为第三小队，“济远”“广甲”为第四小队，“超勇”“扬威”为第五小队，跟在后面，排成“犄角鱼贯小队阵”，驶向敌舰迎战。
这次日方前来参战的军舰共十二艘，总指挥是海军中将、联合舰队司令伊东祐亨。他将日舰分成两个战术队。“吉野”“高千穗”“秋津洲”“浪速”四艘巡洋舰航速较高，作为第一游击队担当先导，由海军少将坪井航三指挥，“吉野”是旗舰；“松岛”“严岛”“桥立”“千代田”“西京丸”“比睿”“扶桑”等八舰为本队，以纵队在第一游击队后方跟进。
北洋海军参战军舰是十艘。无论吨位、航速还是速射炮配置，日舰都更占优势。对北洋海军来说，这一役确实是一场严峻考验。
日舰“西京丸”来势凶猛，军令部长桦山资纪在舰上观战。他们用望远镜看到，北洋军舰上，肤色黝黑、体魄强健的壮士们严阵以待，一伙一伙地守在大炮旁，已经为一场你死我活的拼杀做好准备，不禁心头一惊。
随着时间分分秒秒的流逝，双方舰队愈加靠近，都想争取主动、先发制人。此时，黄海大东沟海面充满凝重、肃穆的气息，死一般的寂静笼罩了每一个士兵，只有军舰烟囱不停地冒出一股股浓烟。丁汝昌意识到，如果继续保持刚才的阵形，就难以发挥后面八舰舰首重炮的威力，于是下令把纵阵改成横阵“犄角雁行阵”，并加快速度迎击敌舰。
考虑到北洋海军军舰质量不一，缺少信号装置，信号手人数不足，有些舰长缺乏实战经验，舰队行动恐怕难以保持一致，丁汝昌预先向舰队发出了训令，要求舰型一致的舰船协同动作、互相支援，要始终以舰首朝向敌舰，在可能范围内要随同旗舰运动。
变换阵形是需要时间的，当时情况紧急，北洋舰队尚未从刚才的阵形变成整齐划一的横阵，刚刚变成“人”字阵时战争就开始了。
12时50分，双方相距五千多米，北洋舰队旗舰“定远”号前主炮打出了黄海之战的第一炮。炮声一响，其余各舰相继开炮射击，敌方也以炮弹相击，一时间炮声不断，海水轰鸣不已，海波为之沸腾。丁汝昌已抱定以身许国的决心，他乘坐的旗舰“定远”号冲锋在前。
敌舰攻势十分凶猛。战斗刚打响数分钟，“定远”号的瞭望台就被敌舰炸毁，正在瞭望台上指挥战斗的丁汝昌被重重地摔在甲板上，身受重伤。他的左脚被夹伤，一只手鲜血淋漓，头部和身上多处被火烧伤，腰部挫伤，顿觉疼痛难忍，无法站立。将士们连忙将丁汝昌扶入舱内包扎伤口。有人看丁汝昌伤势如此严重，不让他再到外面去。丁汝昌深知这是生死攸关的时刻。舰外炮声隆隆，北洋舰队已经进入日舰的射程，危急时刻一秒钟也不能耽搁。他不顾自己的生死，不听将士规劝，将伤口稍加包扎后，忍着剧痛立即出舱。站不起来，他就坐在甲板上，继续指挥战斗，下达着作战命令。身上不计其数的伤口仍在流血，透过纱布流在甲板上。
“定远”号冲在“人”字形舰阵的最前端，成为最易受到炮火攻击的船舰。北洋舰队紧紧跟随“定远”，迅速向日本联合舰队冲去。
日舰见北洋舰队来势凶猛，心生畏惧，对“定远”“镇远”两艘铁甲舰尤其不敢小觑，唯恐与之正面相遇。于是日舰动了一番脑筋，第一游击队先是佯装攻击北洋舰队中坚，突然扑向北洋舰队右翼的“超勇”“扬威”二舰并迅疾开炮。
“超勇”“扬威”虽然已经是十舰中舰龄最长、实力较弱的船舰，火力和防御能力都较差，但两舰官兵毫不畏惧，奋勇抵抗，在“经远”号的配合下，打死日方海军少尉浅尾重行，打伤水兵并引起火灾。
“高千穗”被击中数炮，火药库附近的军官室被击穿，厚厚的钢板被穿透，室内器具无不粉碎，弹丸四处飞扬，衣物和破碎的木板着了火，火势眼看着就往旁边的火药库蔓延，士兵面临着全部被炸死的危险。“高千穗”舰上一时乱作一团。正在这时，“秋津洲”第五号炮座又被北洋舰队炮弹击中，海军大尉永田廉平等人被击毙。
但是，“超勇”“扬威”号受伤严重。“超勇”终因中弹过多渐渐难以支撑，右舷倾斜，海水渐渐淹没甲板，全舰最终沉没。管带黄建勋坠入水中后，鱼雷艇前往搭救，黄建勋不肯上艇，从容赴死，舰上士兵也大多壮烈牺牲。经过一场鏖战，“扬威”号首部尾部各炮都不能再动，日舰的炮火又威逼而来，“扬威”只得拼命驶离战场，途中却又搁浅；管带林履中登台一看船舰已毁到这般地步，再无法补救，也不肯登上前来营救的小艇，英勇蹈海。
惨烈的战斗愈打愈烈，北洋海军将士效死用命，毫无惧色。枪林弹雨中，北洋舰队已经有好几艘战舰中弹起火，官兵的鲜血染红了甲板，但众人依旧前仆后继、奋勇杀敌。战到下午1时许，“定远”舰忽然中了一炮，舰腹被击穿，炮弹炸开的洞口喷出熊熊火焰，火势十分猛烈。“定远”号不得不集中人力灭火，攻势顿时弱下来，而火势却不见减小。日舰看准时机，第一游击队迅速向“定远”扑来，频频发炮，想彻底击毁“定远”。千钧一发之际，“镇远”管带林泰曾令帮带大副杨用霖赶去掩护。
这时，“致远”管带邓世昌见“定远”陷于危难，为了保护旗舰和提督丁汝昌，也连忙让帮带大副陈金揆开足机轮，迅速前往迎敌。邓世昌激励将士说：“我们从军保家卫国，早已将生死置之度外，今天的战事，不过一死罢了！”又说：“即使我们死了，但我们海军的声威更加壮大，这也就是我们报国的方式！”
邓世昌话音刚落，“致远”舰就如离弦之箭一般冲到前方，截住敌舰。旗舰“定远”因此有暇扑灭火灾，转危为安。但“致远”却因此弹痕累累，受到重创。此时，敌舰“吉野”恰好处于“致远”前方。邓世昌见“吉野”横行无忌，早已义愤填膺。眼看着“致远”受到重创已难以继续作战，邓世昌准备与“吉野”同归于尽，为北洋舰队再尽最后一份力。他对将士说：“倭舰横行霸道，全仗着‘吉野’，如能击沉它，我军可以进一步进攻了。”陈金揆深受感染，眼含热泪开足马力，奋不顾身地向日舰“吉野”撞去。
“吉野”舰上的日军见状，惶恐不已，纷纷跳水逃命；舰长吓得张口结舌，手足无措。奈何“致远”连中数炮，舰上鱼雷爆炸沉于大海，邓世昌和全舰二百多名官兵大多壮烈牺牲。
邓世昌坠海后，救援者递给他救生圈，他断然拒绝，高喊：“事已至此，誓不独生！”马上又有一艘鱼雷艇驶来，水手们大喊：“邓大人，快上扎杆！”邓世昌誓与战舰共存亡，再次拒绝。这时，他养的一只爱犬也游到他身边，衔住他的手臂救他脱险，邓世昌一手推开。爱犬再次游过来衔住邓世昌的头发，他将爱犬按入水中与自己一同沉入海底。
坐在甲板上督战的丁汝昌见邓世昌壮烈殉国，悲愤不已，舰上官兵无不心生凄恻。
“致远”沉没后，北洋舰队左翼的“济远”“广甲”二舰远离舰队，处境危险。开战后“济远”就多次被炮击中，伤亡十余人。“济远”管带方伯谦起先悬挂了宣示船舰已受重伤的旗帜，等看到“致远”沉没，立刻改变方向向西驶去，于下半夜逃遁到旅顺。“广甲”管带吴敬荣见“济远”西驶，也随之离去，夜半时在大连湾三山岛外触礁搁浅。
“济远”“广甲”逃遁之时，日舰第一游击队本想追击到底，因相距太远而半路折回，恰好遇到“经远”。“经远”被划出阵外，势单力薄，中弹也很多，已经着火。尽管如此，管带林永升仍旧率领将士奋勇杀敌，同时击水救火。见“经远”如此骁勇，“吉野”等四艘日舰将其团团围住，同时猛攻。“经远”毫不畏惧，不屈不挠地搏斗。在激烈的炮战中，林永升中弹身亡。帮带大副、二副也相继身亡。在没有人统领的情况下，“经远”舰上的士兵依然奋勇杀敌。在与日舰相距不到二千米时，“经远”遭到四舰速射炮猛攻，舰上燃起熊熊烈焰，士兵在与船舰同时下沉的过程中仍在向日舰开炮，直到海水吞噬了整艘战舰。“经远”号二百名官兵除十六人获救外，其余全都壮烈牺牲。
酣战多时，北洋舰队只剩下“定远”“镇远”“靖远”“来远”四舰，日本联合舰队尚有九舰。北洋舰队以四舰对抗九舰，处境之艰危可想而知。但四舰官兵依旧拼死搏斗，与日舰在海面久久对峙。
下午3时20分后，战斗被分成两组进行。“定远”“镇远”被日舰本队“松岛”“严岛”“桥立”“千代田”“扶桑”五舰缠住；“靖远”“来远”被日舰第一游击队“吉野”“秋津洲”“浪速”“高千穗”围攻。日本仗着自己船舰数量多，想把北洋舰队拆分成两组，削弱其战斗力，再一一攻取。那时就消灭了北洋海军主力，可以结束战斗了。但是，中国巍然屹立在海面的四艘战舰决心与其战斗到底。
面对日舰第一游击队的猛烈攻势，“靖远”“来远”二舰将士愈战愈勇。“靖远”“来远”舰型本来不同，不属于一个编队，但在危急时刻，两艘战舰的管带为了维护战舰、打击敌军，临时建立了协作关系，彼此互相掩护和支持，坚持战斗，炮手不停地回击。日舰的炮弹给“来远”造成火灾，机舱热度一度高达二百摄氏度，舱内人员仍在忘我地工作，等到火灾消除，舱内的人全都被炙烤得伤痕累累。
“靖远”中弹颇多，情况紧急。为了修补漏洞，向“来远”发出西驶信号。“来远”见状，默契地向西驶去，“靖远”紧紧跟上，冲出了日舰第一游击队包围。驶至大鹿岛附近，二舰占据了背靠浅滩的有利地势，一面灭火修船，一面用舰艏重炮轰击追赶而来的日舰。此时“吉野”等四舰失去地利，紧追有搁浅的危险，因此不敢靠近，“靖远”“来远”掌握了主动，化险为夷。
同一时刻，“定远”“镇远”二舰正在刚才的海域与日舰本队的五艘战舰激烈搏斗。铁甲舰“定远”“镇远”是日本舰队的心腹大患，日舰此次想借实力对比悬殊之机将其一举击毁。日方暂时放下其他事务，举五舰之力紧紧包围“定远”“镇远”二舰，不断投射榴霰弹在二舰上引起火灾。“定远”甲板起火，烈焰冲天，大火几乎蔓延全舰。“镇远”甲板上火势更大，士兵在将领指挥下奋力救火，迎着枪林弹雨，终将大火扑灭。二舰顽强不屈，一步也不肯相让。
战到下午3时30分，“定远”与日本旗舰“松岛”相距约二千米时，“定远”发出炮弹，命中“松岛”右舷下甲板，顿时爆炸，响声震天，击毁其第四号速射炮，其左舷炮架全部被毁，还引起甲板上弹药爆炸。一瞬间雷霆万钧，火花四射，烈焰升腾，浓烟蔽海。经过一阵剧烈震荡，“松岛”号舰体倾斜，死尸或散落甲板，或飞入海中，舰上鬼哭狼嚎，尸臭扑鼻。还不待细看，一团烈火以不可阻挡之势吞噬了舰体，虽然全舰尽力灭火，但海风猛烈，火势不衰，“松岛”号在海风中成为一片火海。
到了下午4时10分，“松岛”号的大火虽被扑灭，但舰上设施已全部被摧毁，指挥能力和战斗能力完全丧失。“松岛”自身难保，只得发出各舰随意运动的信号，随后努力摆脱“定远”“镇远”二舰，与其他日舰仓皇逃窜。北洋舰队追击不舍，但终因航速不及日本联合舰队，傍晚时分不得不转舵驶向旅顺。整个海战过程中，丁汝昌始终坐在甲板上，面不改色，沉着督战。他以身作则，激励将士勇往直前痛击日舰。
战后第三天，丁汝昌伤势恶化，全身异常疼痛，不得不请求修养。李鸿章请示清廷，让刘步蟾暂时代理提督，命丁汝昌抓紧时间调治。清廷因丁汝昌在黄海海战中统帅全军有功，从优议叙。这样一来，总算能把流言蜚语消解一下了。
黄海海战后，野心不死的日本准备再次进攻北洋海军。战后仅十天，日本海军就将战舰全部修复并再次全军出动。李鸿章一边劝慰丁汝昌悉心养伤，一边命他督促修复北洋海军受伤的战舰，早日出海游巡北洋各海口。
事实上，丁汝昌即便在养伤的时候也没有忘记战舰，何须李鸿章叮嘱，他早就派人修理伤舰了。可是修了近一个月，“来远”只完工一半，“定远”“镇远”的起锚机尚未配妥。舰只伤重，一时难以修好，有些配件国内根本买不到，工匠的人数也渐渐减少——黄海一战，北洋海军官兵虽然作战勇猛，但也见识到了日本海军的实力，深知他们不是日本海军的对手，因此士气渐渐低落，有些工匠也陆续离开。此时李鸿章一再催促，每隔几天就来个电报，伤病未愈的丁汝昌担着深深的苦恼。
丁汝昌比李鸿章还清楚，日本绝不会善罢甘休，一定会再来作战的。军舰的好坏关系到国家尊严和将士安危，作为北洋海军提督他岂能因伤病坐视不管。为了亲自督促修建，不待痊愈，丁汝昌就拖着病躯销了假，回到任上。
然而，尽管一再催促修舰，李鸿章的目的却并非与日军决战，而只是想利用北洋舰队的声势来“震慑”敌人。黄海海战后，北洋海军的大小舰艇还有四十多艘，其中有主力舰两艘，还有巡洋舰、炮舰、鱼雷艇，损失并不算太严重，日本对北洋海军的实力其实仍存戒惧之心。但是，李鸿章有意夸大损失，说“海军现在只有五六只船可以出海，不能参加大战以免再受损失”，明确告诉丁汝昌：“有警报时，率船出傍台炮线内合击，不要出大洋作战。”这就意味着无论日舰如何进攻，北洋海军只能困守在港内，不能出港口打击敌军。
10月28日，丁汝昌游巡旅湾、大孤山一带时，发现了日军商船和雷艇，电请李鸿章，准备督率将士尽力死拼，李鸿章不但不支持，反而训诫说：“根据情况试探，不要说什么死拼。”10月底，日军兵分两路，一路突破鸭绿江，另一路在海军护送下于辽东半岛花园口登陆，侵入中国本土。李鸿章没有阻止日本海军或陆军作战，登陆中国的日军不费一枪一炮，如入无人之境，一开始甚至以为这是清军设下了什么计策。
日军侵入中国，罪名又被加到丁汝昌头上。11月2日，清廷以丁汝昌统带战船不力，黄海海战后从优议叙的提案又撤销了。花园口登陆后，日军开始向金州、大连等地进犯。丁汝昌担心旅顺船坞和船坞内舰只的安全，当即致电李鸿章提出剿杀敌寇对策，李鸿章却严厉驳斥，并表示无法派兵支援。
11月7日是慈禧太后的六十大寿，光绪帝率文武百官祝贺，庆典铺张扬厉，备极一时之盛。这一天也是丁汝昌的五十八岁生日，丁汝昌却只能在日军进攻旅顺、大连的炮声中度过。这一天，大连失守，旅顺告急。李鸿章一味避战保船，对战事毫不预备。丁汝昌无法为旅顺求援，只能游巡。11月中旬，在由旅顺撤回威海途中“镇远”不慎触礁，伤势更重，管带林泰曾见状服毒自尽，北洋海军损舰失将。
占了大连湾，日军就向旅顺进攻。旅顺失守，威海成了北洋海军最后一个基地，也成了日军攻击的下一个目标。日军进攻旅顺时，丁汝昌被革去尚书衔，摘去顶戴。旅顺陷落后，丁汝昌又被革职，暂留本任。
光绪二十一年（1895）年初，日军进犯威海卫，丁汝昌主动请战，说：“北洋海军与其坐以待毙，不如起来迎击日军！”李鸿章下达的命令依然是：“不许出战，不许轻离威海一步，如有违令出战者，就算打胜了也要治罪！”
丁汝昌的手脚完全被捆住了，但他早已把生死荣辱都置之度外。他积极备战，在威海认真筹划防务。当时流传着一个说法：铁打的旅顺，纸糊的刘公。意思是旅顺有大量军事设施，牢不可摧，而刘公岛的军事设施远不如旅顺。事实却是旅顺迅速失守，而刘公岛在丁汝昌的悉心布防下，日军连续进攻八次未能得手。如果后来援军能够及时赶到，刘公岛是可以保住的。
丁汝昌知道，要想守住威海刘公岛，必须加强海军防务并搞好海陆联防。他向各舰发布训令并督促落实到位，同时整饬军纪，严查奸细，禁止海军官兵酗酒赌博，加强粮食储备，尤其是将刘公岛南北两口封锁得十分严密。威海卫炮台分设在南北两岸。如果南北两岸和刘公岛上的炮台、港内的舰队互相配合，将形成立体交叉的强大火力，足以对付海上来的日寇，但如果南北两岸炮台失守，就会形成敌军对港湾和刘公岛南北夹击的局面。因此南北两岸的炮台十分关键。丁汝昌在做好海军防务的同时，积极与驻守在南北两岸炮台的将领联系，请他们共同防御日军。丁汝昌对陆军的战力表示担心，建议做好炸毁陆路海岸炮台的准备，免得一有闪失被日本人夺取利用；这一建议却被陆路军队统领戴宗骞误以为贪生怕死、通敌误国。清廷下令将丁汝昌交刑部治罪。在刘步蟾等将领的通电请愿、李鸿章的极力申辩下，清廷下令等丁汝昌手头事务结束再解送刑部。丁汝昌虽然境遇艰难，仍力图振作，召集诸将筹商水陆战守事宜。
就在丁汝昌为筹办威海卫防务日夜奔走时，日军也在积极准备对威海的进攻。1895年1月，日本海军不断派出军舰到山东半岛各口探察。待到月底，日本登陆步兵在海军配合下，开始进攻威海南岸炮台。丁汝昌迅速反应，将北洋舰队余舰分成两队。丁汝昌登“靖远”舰率“镇南”“镇西”“镇北”“镇边”等舰，支援威海南岸炮台的守军；其余各舰与刘公岛、日岛炮台配合，守住威海南、北两口。
日军向南岸摩天岭炮台发起进攻，丁汝昌以排炮打得日军尸横遍野，左翼支队司令官大寺安纯被击毙。攻占摩天岭炮台后，日军掩护右翼支队向杨枫岭进攻，守军奋力抗击，自上午8时到11时，激战三个小时，打退敌军的多次冲锋。敌军冲不上去，就集中炮火疯狂轰炸，炮台周围的树木起火，弹药库也被击中，守军伤亡过半被迫撤退，杨枫岭炮台被攻陷。
日军右翼支队进攻南炮台时，左翼支队向南炮台附近的虎山进攻，想攻克虎山再向北推进，切断南炮台清军的退路，配合右翼支队南北夹击。驻守虎山的清军奋勇杀敌，日军伤亡惨重，但指挥官后来弃军逃跑，虎山失守。日军向北推进，切断了清军退路。
在这紧要关头，丁汝昌亲自指挥“靖远”“镇南”等炮舰驶到杨家滩附近轰击日军，日军仓皇逃走。
日军攻下南岸陆路炮台后，发起对龙庙嘴、鹿角嘴、皂埠嘴三座海岸炮台的夹攻。日军先攻向龙庙嘴炮台，守军寡不敌众，全部壮烈牺牲。日军随即用炮台上的大炮向鹿角嘴炮台轰炸，摧毁了长墙，日军从缺口进入，守军没有近射武器，鹿角嘴炮台被攻陷。日军又利用清军的大炮轰炸皂埠嘴炮台。当日军攻上皂埠嘴炮台时，丁汝昌命鱼雷艇炸毁炮台，正在台上悬挂日本国旗的日兵被炸得飞向空中；子弹库炸得翻了个，日军被炸得鬼哭狼嚎。日军第二师团进攻凤林集，被北洋舰队的排炮轰退。
2月1日，丁汝昌亲自去威海北岸布置炸毁北山嘴等海岸炮台，次日又派鱼雷艇焚毁北岸渡船。2月2日，日军向威海城进攻，城内守军溃散。日军立刻向北岸炮台进攻，北岸六个营的守军也先后溃散，北岸炮台失守。威海卫和南北两岸炮台全部被日军占领。至此，刘公岛与威海失去联系，成了一座孤岛，北洋海军陷入腹背受敌的困境。
日军一刻不停，水陆联合向北洋海军和刘公岛发起猛攻。丁汝昌不屈不挠，多次打退日军进攻，敌人始终无法进入刘公岛。2月3日，日本联合舰队向刘公岛、日岛和港内的北洋海军发起猛攻，日本陆军也修好南岸炮台的七门大炮，配合海军从南岸发炮夹击，企图一举消灭北洋海军。面临这样的封锁，丁汝昌毫无惧色，击伤日本军舰两艘。日本舰队司令伊东祐亨见正面进攻艰难，就改变策略决定采取偷袭的办法。
当晚，日军派鱼雷艇偷偷进入港内破坏防材，因港口戒备森严只切断一条铁索。4日晚，日军派出十艘鱼雷艇偷袭，北洋海军诸舰纷纷开炮，有的舰艇在慌乱中触礁，有的舰艇因故障放不出鱼雷，仓皇落水的日兵四处逃窜，海军少尉铃木虎十郎游泳上岸后被冻死。其中9号艇单独越过防材进入港内，遭到北洋海军哨艇袭击，“定远”击中艇上汽罐，艇上日军非死即伤。由于汽罐爆炸无法航行，19号艇赶来拖曳退走，北洋海军哨艇奋力追击。但是，“定远”被鱼雷击中受到重创，海水大量涌入舱内，舰身逐渐倾斜。丁汝昌急忙下令将其开到岸边搁浅，才没有沉没。“定远”管带刘步蟾悲愤难抑，心生死念。北洋海军旗舰受到重创，丁汝昌移到“镇远”舰继续督战。
偷袭不成，日军又采用围困战术。5日，日本联合舰队二十二艘战舰环绕在威海卫南北两口，发动猛攻，双方激战良久，各有伤亡。日舰最终难以接近两口，只好停止进攻退向外海。
6日，日本联合舰队凌晨偷袭，北洋海军三艘军舰被鱼雷炸沉。日军以为这次一定能攻下刘公岛，就于当天下午对刘公岛发动海上正面进攻。日本陆军在威海北岸架设了快炮，与舰队配合夹击刘公岛。丁汝昌命“靖远”等舰回击北岸，命其余各舰与刘公岛、日岛各炮台配合，日军阴谋未能得逞。
7日，日军对刘公岛发动总攻，决心全歼北洋海军。这天早上炮火异常猛烈，开战仅五分钟日舰“松岛”号就被击中，“秋津洲”“浪速”紧接着也被击中。日军气焰受挫。9日，风雪交加，日本海军大小舰艇四十多艘齐集威海南口，大有不冲进来不罢休之势。同时还在北岸架起十二门大炮向刘公岛排轰。丁汝昌站在“靖远”号上率军还击，击伤日舰两艘、大炮一尊。不幸的是，“靖远”中弹搁浅，尽管日军仍未如愿，但北洋海军的力量更为削弱已是不争的事实。10日和11日，日军同样猛攻刘公岛，刘公岛东端的大炮被毁，守军被迫撤出炮台；丁汝昌率军连续击伤多艘敌舰。日军还是无法踏上这片土地。
丁汝昌力撑危局，苦守刘公岛，把希望寄托在援兵上。早在1月22日丁汝昌就曾得到消息：如果威海能支持二十天，外省援军就可赶来解围。
清军日夜激战，无休无歇，此时已疲惫不堪。就在2月7日日军对刘公岛发动总攻时，丁汝昌令鱼雷舰队管带王平率十三艘鱼雷艇和两艘汽艇出海作战，但王平见形势不利，竟带人乘机外逃。最后，逃跑的舰艇多被日军击沉。王平逃到烟台后，不敢据实说话，谎称北洋海军已经突围冲出海口，刘公岛已落入日军之手，致使原本派往威海增援的陆路援军全部被召回，刘公岛的外援彻底断绝。在最需要兵力的时刻，王平的逃离让北洋海军进一步深陷困境。官兵中不可避免地发生了混乱，士气低落，人心惶惶。次日，不少士兵扬言不再作战，要求离岛。此情此景让丁汝昌心里忧愤交加，他只有好言劝慰，让官兵耐心等候援军。此后的几次战斗，尽管丁汝昌依旧冲锋在前，士兵的锐气却已大不如先前。经过多日鏖战，北洋海军消耗甚多，补给甚少，伤亡众多，弹药将尽，如果没有援军，败局已无法挽回。
援军杳无音讯，丁汝昌心中不安。他担心援军不到，日军掳获北洋海军船舰，便派舰用鱼雷炸沉了已然搁浅的“靖远”，并为“定远”装上火药，将其炸毁。“定远”管带刘步蟾见自舰被毁，当天晚上服毒自杀。这使濒临崩溃的军心雪上加霜。
丁汝昌不敢绝望，派人偷渡威海，从旱路去往烟台报信。尽管王平的谎言被揭穿，援军依然未能赶到。由于旅顺、大连被日军侵占，当时清廷的主要精力已经用于防范日军进逼天津、北京。山东抚院一再催促依然无济于事。丁汝昌终于明白，援军不会来了。
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