八月上旬，北洋水师接连接到军事急电，请求调济远水师前去朝鲜以壮我军声威。于是就派遣了五艘招商局的船，载着兵丁和银子、粮米，由海军军舰护送着前去。一起同行前去的有铁甲舰、巡洋舰各六艘，水雷船四艘。到了中秋节，平安抵达鸭绿江口。五艘运输船开足马力长驱直入，浅水兵船和水雷船与这五艘大船一起前进，其余的小船则在离江十里或十六里的地方稍作停留。十六日晨，炉中的火还没有熄灭，远远地就瞧见南方冒起缕缕黑烟，知道日本的舰船就要靠近了。海军提督丁汝昌命令士兵列人字形方阵，镇远、定远两艘铁舰为人字形队列的排头，靖远、来远、怀远、经远、致远、济远、超勇、扬威、广甲、广丙及水雷船，列队成人字型的两翼，同时以号旗为令，招鸭绿江中的所有战船都出来助战。
不一会儿，敌船行近了，日军列阵呈一字型，向中国军队猛扑过来，一共有十一艘战船，日军所使用的巡洋舰的速度远远高于中国船队。转瞬间，日军的阵型又变为太极阵，将中国军队包围在其中。中国舰队先是开巨炮显示声威，然而距离日本的舰队有九里之远，不容易打中。炮声还没有停止，日本的舰队就蜂拥靠近，与定远、镇远两艘军舰相距不到六里，日军战船都有厚厚的铁甲，能够抵御重炮的轰击，而且中国船舰的炮火还不能打到日本船舰的时候，日本兵的炮弹已经打过来了。渐渐地，日军船舰靠近中国船队人字型阵末尾的两艘船舰了，欺负中国船舰装甲薄、火力小。过了一会，日军舰队将人字阵阵脚的几艘船纳入了包围圈，将致远、经远、济远三艘战船挡在了圈外。
致远离开船队后，船身接二连三地受到重创，看样子马上就要沉没了，致远船的管带邓世昌见此情景开足马力，向日军的战舰快速开过去，想猛烈地撞击敌船以与其同归于尽，然而还未到达，船就沉没了，船上的二百五十名将士，一起殉难。整个中日海战中，尤以邓世昌的死最为壮烈。
于此同时，被逐出包围圈的经远舰，一离开群船就着起了大火，管带林永升一面发炮攻击敌船，一面泼水救火，船上的工作进行得井井有条。经远战船遇到一艘日本战船，看起来船身已经中弹受创，于是就奋起追赶，敌船就放水雷抵挡，我船躲闪不及，一下子就被击中了，死难的将士也有二百七十余人。实在是太惨痛了啊！
济远战船的管带方伯谦，就是七月间护送高升号到牙山，途中遇到日本战舰就逃回到旅顺的那个人。当时两军刚刚交战，方伯谦就马上挂出船已受重创的旗子，以此来通告主将，其实全是他企图逃避战争的缘故，所以也被日本战船划出包围圈。致远、经远两船的将士与日本军队苦战，方伯谦却对此置之不理，如丧家之犬一般误将船开到了水浅处，结果不小心误撞了搁浅在这里、不能转动的扬威号战船，把扬威号撞了一个大洞，不一会船就沉没了。本来要扬我军声威却招来如此横祸，死了一百五十多人。方伯谦吓得魂飞魄散，快速地逃到旅顺口。不几日以后，李鸿章来电命令缉拿方伯谦，在军前将其正法。
同时，与方伯谦一样贪生怕死的，还有广甲这艘战船，它逃出阵队，不知道船是否已经受伤，只顾着防止敌人追来，没顾上看前面的路，结果误撞在礁石上，被日舰放置的水雷轰炸沉了。中国舰队中，从经远、致远、扬威、超勇等战船沉没，济远、广甲两艘战船逃跑，与日军拼死相战的仅有七艘船。这场战役，日本战船虽然也有受到重创的，但是损失很小，也没有沉没一艘战船，然而中国海军却沉没了五艘战船。
海军在大东沟被攻击，几乎被敌军全部消灭，同时陆军也在平壤战败了。平壤是朝鲜的重要城市，这个城市的西、南、东三面都有江水围绕，背面枕着祟山，城墙依靠着山崖，城东有滚滚江水，江水绕过山的南面一直向西流去，西北角既没有山也没有水，是直达义州的通道。我军的叶志超、聂桂林、丰升阿、左宝贵、卫汝贵、马玉昆六位将军，一起统领三十四个营的勇士，在七月中旬汇集在此地，这些人都是李鸿章的部下。当时中国刚刚开始发兵牙山的时候，副将聂士成就曾建议说，应当趁着日本军队还没有进入朝鲜之前，先行率领大军渡过鸭绿江，迅速占据平壤，然后用海军战队的力量牵制住仁川港口，使日本军队不能得逞。驻扎牙山的陆军和北洋水师的海军一起牵制着日军，然后让平壤的大军向南进攻，李鸿章没有用这一计策，到了七月二十九日，牙山战败，这一计策也就没有用武之地了。
日本士兵进驻韩国的时候，正是暑热难耐的盛夏时节。同时道路艰险狭窄，行军非常困难，沿途经过的村落又十分的贫瘠，没有地方获取行军所需的粮草。朝鲜人素来被我军的声威所镇服，给我军提供粮草等供给，朝鲜人民都一呼百应，集体出动，然而对待日本军队的态度则截然相反。所以日本军队进攻平壤的时候，除了干粮，他们没有其他的事物，一勺盐他们都要用上几日。在这个时候，我军如果抓住战机，趁着敌军疲惫之际，突然发兵攻击敌军，必能出奇制胜。然而这一计策没有用，只用了以主待客、以逸待劳的计策，心想凭借着平壤坚实的堡垒，足可以击败敌军，这是致使我军失去战机的最大错误。李鸿章于八月十四日下令说，全部精力要放在坚守上，而不是进攻上。所以说中日战争中中国的惨败多是被这种想法所误导了。
当时根据李鸿章的部署，马玉昆所率领的四个营的毅军要绕过江东，形成犄角之势。卫汝贵、丰升阿的十八个营驻扎在城南的江岸边，左宝贵的六个营坚守在北山城上，叶志超、聂桂林两帅守在城中。十二、十三、十四日，日本军队已经陆续聚集在平壤附近了。双方相互挑战，但都损失不大。到了十五日的晚上，敌军的部署已经确定，日本军队要用右翼部队来攻击大同江左岸桥里的炮台，然后渡过江去以攻打平壤城的正面，师团长的队伍作为后援，左翼部队从羊角岛下，渡过大同江，攻击我军右侧。十六日，日军在大同江岸边与马玉昆的部队相遇，开始激战，敌军死伤惨重，炮台也被击毁。这时，左宝贵退守到牡丹台，他有七响的毛瑟枪和快炮等武器，战斗进行得相当激烈，敌军连续发炮，左宝贵负伤身亡，他手下的士兵就方寸大乱了。午后的四点半中，叶志超急忙挂起白旗投降，乞求停战。当天夜里，全部军队都想趁着夜色逃走，被敌军从义州、甑山两路堵截追杀，死掉了两千多人，平壤随即失陷了。
这场战争，李鸿章二十年来所训练的兵，他自夸为强劲有力的部队，全都覆灭了。中国军备力量的薄弱，长久以来已经为外国部队所熟知。惟独淮军、奉军、正定练军等部队，一直都用国外的方法进行操练，是李鸿章苦心经营的几支部队，因此日本军队慑于这些部队的神威，非常害怕他们。等到日本战胜了之后，他们的将领仍然说这支部队并不是他们一开始想象的那样。中国之所以战败，一是由于将帅所用之人大多庸碌低劣，更有甚者例如卫汝贵，他克扣军饷，又临阵脱逃，再如叶志超掩饰惨败，谎报战胜，欺骗君主邀功请赏，任命如此这般的人为将领，怎么能不败。另一个是由于身为统帅的六个人，官职权限都是相同的，彼此之间没有统领关系，相互之间没有威慑力，所以军队将士涣散，令不行禁不止。因此说，这次战役是李鸿章用兵不力的败绩开端，而淮军也从此未名扫地，一蹶不振。
长久操练的军队，尚且如此，其他于匆忙间新招募上来的士兵将士就更加糟糕了，不熟悉军队纪律，没有武器装备，更是微不足道、不堪一击了。的回兵；提督闪殿魁新招募的京兵；提督丁槐统领的苗兵；侍郎王文锦，提督曹克忠奉旨团练的津胜军；谋蒙古大员所带领的蒙古兵。这期间，这些部队有时候归李鸿章节制管理，有时候归依克唐阿节制，有时候归宋庆节制，有时候归吴大澂节制，有时候归刘坤一节制，没有统一的规定、没有确定的打算。熟悉这种情况的人早就知道这些部队根本没有参与战役的能力。
九连城失守，凤凰城失守，金州失守，大连湾失守，岫岩失守，海城失守，旅顺口失守，盖平失守，营口失守，登州失守，荣城失守，威海卫失守，刘公岛失守，海军提督丁汝昌，率领着北洋水师惨败后剩下的残余兵舰投降了日本，到此中国的海防兵力被全部摧毁。
1895年4月17日，中日代表在日本马关（今下关市）签署条约，名为《马关新约》，清朝代表为李鸿章和李经芳，日方代表为伊藤博文和陆奥宗光。条约规定，中国从朝鲜半岛撤军并承认朝鲜的“自主独立”，中国不再是朝鲜之宗主国；中国割让台湾岛及所有附属各岛屿、澎湖列岛和辽东半岛给日本；中国赔偿日本军费2亿两白银。（后来日本以退归占领的辽东半岛为由，又索取了三千万两白银的赎还费）；中国开放沙市、重庆、苏州、杭州为商埠，日本轮船可以沿内河驶入以上各口；等等。
该条约是继《北京条约》以来侵略者强加给中国最刻毒的不平等条约，它使日本得到巨大的利益，加深了中国的殖民地化，给中国人民套上了一具新的枷锁。