2月1日，日军慑于北洋舰队的炮火威力，不敢沿海岸线进攻威海卫城，而采取从西路迂回的战术。2日，日军探知威海卫城内清军已全部撤退，遂占领该城，并分兵进攻北帮炮台。由于守将戴宗骞贪生怕死，6营守军先后解散或溃散。丁汝昌只好下令炸毁药库。日军不战而占领了北帮炮台。
威海卫南北海岸炮台既失，日军便以全力进攻刘公岛、日岛炮台和港内的北洋舰队。
面对日军的海陆夹击，北洋舰队和刘公岛、日岛守军，在丁汝昌的率领下，奋勇抵抗。双方炮战终日，日舰始终未能靠近港口。
2月4日和5日，伊东祐亨进行鱼雷艇夜袭，击沉北洋舰队的定远、来远、威远等舰，削弱了北洋舰队的实力。
2月7日，日舰以单纵阵向刘公岛、日岛发动进攻。岛上守军奋勇还击。这一天，守军苦战终日，虽然打退了日舰进攻，却被迫放弃了日岛炮台，损失了全部鱼雷艇，形势更加严峻了。
2月8日夜，日舰偷袭刘公岛东口，用炸药爆炸防材，使东口藩蓠尽撤，门户洞开。
在日军围攻日急，援军绝望，军心不稳的情况下，刘步蟾、丁汝昌、张文宣、杨用霖等先后服药自杀。12日，美员浩威盗用丁汝昌名义致书向日本乞降。
17日上午，日军正式占领威海卫，将北洋舰队的舰船俘获，插上日本旗，北洋舰队全军覆没，山东半岛之战结束。
山东半岛之战的失败，是清政府的腐败和李鸿章推行“避战保船”的消极防御方针所造成的恶果，也是淮系、湘系等军阀派系为保存实力，扩充地盘，彼此倾轧，见危不救的结果。
山东半岛之战的失败，使京畿完全暴露在日军的刀锋下，直隶平原无险可守。同时，对清军的士气和清朝统治集团的心理影响也是巨大的。从此，妥协投降空气更占上风，清政府愈益丧失了抵抗的信心。
