这时，让人震惊的事发生了。左翼济远号管带方伯谦见致远被击沉后，随竟挂“本舰已受重伤”之旗逃离战场，与之结对的广甲号也随之而逃。济远逃走后，吉野四舰死死咬住经远号不放，意在击沉而后快。此时的经远号，大副陈荣、二副陈京莹先后阵亡，管带林永升也在炮火下中敌弹脑裂而亡。在无人指挥的情况下，剩余水兵仍坚守岗位并继续开炮击敌，直至在熊熊烈焰中浩然沉没。
战至下午三时半，镇远号一炮击中日本旗舰松岛右舷下甲板，打得松岛舰体倾斜，烈焰冲天，当场杀死杀伤敌兵八十四人。松岛被击中后丧失了指挥和战斗能力，意图击沉定远和镇远的图谋基本落空。下午五时半，日本舰队司令伊东祐亨见本队各舰多已受伤，加上害怕被鱼雷艇袭击，于是下令向南驶逃。北洋水师尾追数海里后，也转舵回航。这场惊心动魄的大海战，终于以日本舰队首先撤出战场而宣告结束。此时，海面上已是暮色苍茫，残阳如血，海风吹来的，尽是刺鼻的硝烟和死亡的气息。
威海保卫战
战斗结束后，定远诸舰悬挂红旗返回旅顺港，以示血战而归。事后，临阵脱逃的济远管带方伯谦被逮下狱。据说，镇远管带林泰曾想与定远管带刘步蟾联名，为这位老同学说情，但遭到后者的断然拒绝：“此吾不与也，且大东沟一役，彼固知全军将覆，而欲脱身事外，袖手以观我辈之沦亡，彼于大局何?”最终，方伯谦被军前正法。
大东沟一役，北洋水师被击沉五艘，日本舰队被重创五艘，前者损失明显大于后者，但原因是器不如人，而非技艺和精神不如。比之更不如的是清廷陆军，从平壤到辽东，一路失手，北洋水师剩余舰艇在尚未修好的情况下被迫撤出旅顺，前往威海卫。
不幸的是，镇远号在进入威海港时不慎触礁受伤，以至无法出海作战，这也让姊妹舰定远的威力大减，镇远管带林泰曾为此自责过度，心情忧愤，竟自杀身亡。1895年1月后，日军于山东荣成湾登陆，从陆路包抄威海卫，并相继攻下外围炮台。
在陆军助攻下，日本舰队列队向北洋水师发起进攻，双方展开了猛烈的炮战。由于强攻无效，日军夜间用鱼雷艇偷袭，旗舰定远、来远相继被击中，而己方的鱼雷艇队趁着出击的时机外逃，北洋水师一时阵脚大乱。之后，靖远号又在炮战中被击沉，管带叶祖跬拒不离舰，船上水手拼死将之救出。
由于援军迟迟不来，丁汝昌和刘步蟾下令将受伤搁浅的定远、镇远两艘巨舰炸毁。在座船被炸毁后，定远管带刘步蟾于极度悲愤中生吞鸦片后自杀身亡。这时，一些贪生怕死的洋员劝丁汝昌投降，但被拒绝。丁汝昌令各管带同时沉船，诸将不应。丁汝昌提议与其坐以待毙，不如奋力突围，以求冲出几艘军舰，同样无人响应。最后，万念俱灰之下的丁汝昌生服鸦片自杀。同晚，镇远继任管带杨永霖和护军统领张文宣也先后自尽殉国。
丁汝昌死后，镇远、济远等十舰降下大清龙旗，被收归日本舰队。事后，日本舰队司令伊东祐亭将练习船康济舰交还，用以载运丁汝昌、刘步蟾等人的灵柩。1895年2月17日午后，康济舰升火起航，剩下的千余名海陆兵勇，伴着六名殉国将领的灵柩，在痛苦的汽笛声中黯然离开威海卫，向烟台驶去。至此，曾经世界排名第八的北洋水师，全军覆灭。
