在平壤陆战的同时，清日海战也打响了。
9月15日上午，北洋水师护送4000余名清廷援军前往朝鲜。
9月17日，北洋舰队返航。上午时刻，与日本的联合舰队在黄海海面上相遇。
北洋水师旗舰——定远号首先开炮。三分钟后，日本旗舰松岛号也开始发炮还击。刹时间，双方各舰百炮一齐怒放，硝烟弥漫，海水沸腾。
这次海上相遇、激战。清日双方先后各有12艘战舰参战。双方实力大致相当，全是主力战舰交战。
历经五个小时后，日本海军元帅伊东佑亨，见并不能讨得便宜，便下令撤退。北洋舰队也收队，驶回旅顺。
黄海海战的结果是，北洋舰队损失了“致远”、“经远”、“超勇”、“扬威”、“广甲”5艘军舰，死伤官兵千余人；日本舰队“松岛”、“吉野”、“比睿”、“赤城”、“西京丸”5舰受到重创，死伤官兵600余人。
此役，北洋水师虽然损失要比对手大，但也重创了日本联合舰队。
相比平壤陆军的五百里溃逃而言，北洋水师并未战败，主力尚存。
然而，李鸿章为保存实力，命令北洋舰队躲入威海港内，不准巡海迎敌。日本海军自然夺取了海上的制海权。
平壤败退后，清廷预感到辽东危急，紧急调动四川提督宋庆赶赴辽东，节制诸军，投入3万兵力，沿鸭绿江布防。
10月下旬，三万日军开始逼近鸭绿江。
10月24日夜里，日军连夜搭建浮桥，清军未觉察。10月25日清晨，日军越过浮桥，进攻虎山。清军守将马金叙因为势单力孤，被迫撤出阵地。日军遂占领虎山。
而其他清军各部，闻虎山失陷，居然不战而逃。
26日，日本陆军不费一枪一弹，占领了无人防守的九连城等地。鸭绿江防线全线崩溃。
随后，日军不断增兵，辽地战事愈发不利。
11月6日，金州沦陷。
7日，大连守将赵怀业闻风溃逃，大连湾失守。
18日，日军进逼旅顺。驻守旅顺的清军七个将领中，有四名将领畏战潜逃。
11月22日，旅顺沦陷。日军在旅顺城里屠杀军民两万余人。
旅顺沦陷后，日军制定了“海陆夹击”的计划，准备进攻威海港里的二十余艘北洋战舰。
光绪二十一年1月20日，两万五千名日本陆军，在海军的掩护下，在荣成龙须岛开始登陆。
这批陆军，其目的就是联合海军，切断威海港的弹药、燃料和粮食补给。
26日，登陆日军开始大举进攻守护威海港的北帮炮台、南帮炮台。
四天后，北帮炮台沦陷。
南帮炮台的守军周家恩指挥三千士兵，在“定远”、“镇远”、“来远”等北洋战舰的助战下，几次打退日军进攻，还打死了左翼司令官大寺安纯少将。
这是日本在甲午战争中唯一阵亡的将军。
但随着日本援军不断到达，南帮炮台最终被攻占。
2月3日，日军占领了威海城。威海陆地全被日本占据。北洋舰队的补给线也被彻底切断。特别是作为动力燃料的煤、弹药所剩不多。
失去陆上的支持后，丁汝昌被迫率领余下的北洋舰队坚守孤岛——刘公岛。
此后，日本海陆两军配合，利用清廷岸边的炮台，连日攻击北洋舰队。
2月5日，丁汝昌所在的主舰——定远号遭到重创。丁汝昌被迫移督旗于其他战舰。
2月9日，日本联合舰队第八次进攻刘公岛。丁汝昌登上靖远舰迎战，并指挥靖远舰，击毁两艘日本军舰。
但不久，靖远舰被日本陆军控制的岸边大炮所伤，开始下沉。
此时，北洋战舰的主力战舰已先后失去作战能力，仅剩靖远一舰尚可与敌军一战。
丁汝昌见状，心凉如冰，知道大势已去，欲与靖远舰同沉，后被部下救上小船。
但是，北洋战舰外无援军，内无弹药，绝无继战之力。
次日，日本海军元帅伊东佑亨停止进攻刘公岛，派人带信上岛，劝降丁汝昌。
2月12日，丁汝昌回信，拒绝投降。当晚，丁汝昌将北洋海军提督印砍断，自杀殉国。
丁汝昌死后，手下军官牛昶昞盗用他的名义，与日军签订了《威海降约》，将剩下的北洋战舰献给日军。
至此，李鸿章经营多年的北洋水军，全军覆没。
海军元帅伊东佑亨深感丁汝昌忠义，同意丁汝昌部下将其尸体收殓，并运回。
丁汝昌原本是陆军总兵，也没有系统地接受过西方的海军训练，和正规军校培训出来的日本海军将领相比，其指挥水平略显不足。
但作为军人而言，丁汝昌已经尽了他最大的努力。
可惜，因为受到清廷的清流党、顽固党人的攻击，加上也需要一个人来背锅。丁汝昌即便自杀殉国，依然受到了不公正的对待。
清廷认为丁汝昌有罪，籍没其家产，不许给丁汝昌下葬。丁汝昌的子孙辈，被迫流落异乡。直至多年以后，清廷才为丁汝昌平反昭雪。
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