12时05分，现在北洋舰队面前的舰队突然降下了一直挂着的国旗改为了日本的膏药旗，整个舰队呈纵形排列知受骗了的丁汝昌急忙下令各舰组成雁形阵(横阵）迎敌，随旗舰运动，“定远”和镇远居中，其余舰只分列左右，陆军并没有多少海战知识和指挥经验的丁汝昌却忘记了北洋舰队10艘战舰中航速差距甚大，造成整个北洋舰队的队形不是一条都由船首对敌的横线，而是“定远”、“镇远”靠前，左右8般舰只在后且也是有前有后并未在一条直线上。

12时40分，双方在大鹿岛（大洋河外）西南3海里开始火，北洋舰队旗舰“定远”上的305毫米主炮率先开火，此时与日本联合舰队相距约6000米，由于日本联合舰队上大都装备的为速炮，速较快，程却较短。舰队司令伊东佑亨命令要到3000米左右的距离才可开炮，所以在前面的这3000米的距离中都是北洋舰队单方面的击。

由于运输的缓慢直到第二天也就是17日的上午11钟左右才把所有的陆军送上岸，丁汝昌就命令北洋舰队稍仕休整后就返航回国。这时远方正在行中的日本联合舰队，为第一游击队旗舰的吉野号（由智利新锐巡洋舰改名）上的瞭望手通过望远镜已经都够发现北洋舰队上方的烟，就上报给了舰长，又由舰长上报给后方的舰队旗舰松岛号，由于北洋舰队使用的都是唐山开平煤矿产的劣质煤，造成使用时的冒的烟雾既又黑，与英法俄等**舰使用的大不一样，日军联合舰队司令官伊东估亨立时就认这现就是清军北洋舰队，就下令各舰士兵提前吃午餐，吃过饭后就上备战。

而此时大东沟外海，丁汝昌虽然率领着北洋舰队几乎全主力，但他担忧的正是日军主力一旦前来攻击登陆舰艇，北洋海军将不得不与日军决战，这也就违背了上司李鸿章的初衷。更糟糕的是，无论登陆的清军陆军还是丁汝昌都不知，就在9月16日登陆这天，他们试图前往增援的平壤其实已经失守。在朝鲜北的大雨中，由叶志超带领的中国陆军已经一溃千里，这次增援将变得好无意义。

13时30分左右，“超勇”沉没。这是此次海战双方第一艘战沉的舰只。在日本第一游击舰队攻北洋舰队右翼之时，日本海军本队也在与北洋舰队主力战斗。

下午13时10分为前锋的日本第一游击舰队猛攻扬威”、“超勇”，二舰相继被击中起火，退战斗。日舰“吉野”也被北洋舰队击中起火，但很快被扑灭。