当日本第一游击队绕攻北洋舰队右翼时，本队也与北洋舰队主力交相攻击。日本军舰“比睿”、“赤城”、“扶桑”、“西京丸”遭到北洋舰队截击。“定远”、“来远”、“经远”重创“比睿”、“赤城”号。“赤城”舰长坂元八太郎阵亡，“西京丸”受创。
14时15分左右，日本舰队绕至北洋舰队背后，与第一游击队形成夹击之势。北洋舰队腹背受敌，队形更加混乱。在混战中，北洋舰队一直冲杀在前的“致远”舰受到“吉野号”、“高千穗”等的集中轰击，多处受伤，船身倾斜。
伊东祐亨令第一游击队救援“赤城”、“比睿”。“吉野号”冲在最前面，正遇上全身着火的“致远”舰，管带邓世昌毅然全速撞向日本主力舰“吉野”号右舷，当即决定与敌同归于尽。“致远”舰向“吉野”号右舷高速撞去。日本官兵见状大惊失色，集中炮火向“致远”射击，“致远”舰躲过一条鱼雷后，终于被另一条击中，全舰清兵共252名全部阵亡。(根据双方史料，致远号沉没有了新的说法，日军史料记载日方舰队并未发射鱼雷，致远号沉没成了黄海海战的一个谜。)
“经远”继续迎战“吉野”，也中弹起火，管带林永升、大副陈策阵亡，随后舰也被鱼雷击沉，全舰270人除16人获救外，全部阵亡。“致远”沉没后，“济远”管带方伯谦、“广甲”管带吴敬荣，临阵脱逃(方伯谦等是否临阵脱逃，近几年有不同考证)。“靖远”、“来远”因中弹过多，退出战斗，避到大鹿岛附近紧急修补。
“定远”、“镇远”两舰浴血奋战，中弹过多，几次起火。
下午3时30分，“镇远”舰的30.5公分大炮连续击中日本旗舰“松岛”号二次。“松岛”后甲板四号炮塔中弹后，火焰引发装药，发生了大爆炸。“松岛”船轴倾斜5度，冒起白烟，火灾大作。
不久，“靖远”、“来远”抢修完毕，重新投入战斗。日本军舰“赤城”、“比睿”、“西京丸”负伤，旗舰“松岛”伤痕累累，“吉野”、“扶桑”中弹受伤，又见北洋舰队重新集队，伊东祐亨便于17时40分左右下令撤出战场。
