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17日早晨，天气晴朗。7时左右，运输船队接到指令，可以自行返回港口。舰队则在锚地停泊。9时，各舰按例进行了一小时的常操。10时，"镇远"的了望哨发现南方天际出现了一抹淡淡的轻烟。他加强了警戒，不时用望远镜严密地注视着这个方向。不久，已能看清8艘日本军舰正向这个方向驶来，于是发出战斗警报。此时正值午饭之际，官兵们纷纷涌出餐厅，奔向战斗岗位。丁汝昌、汉纳根、刘步蟾在"定远"舰桥上发出"立即起锚"的信号
，各舰烟囱吐出浓浓黑烟，北洋海军10舰以5节航速向南迎击。
鉴于敌舰距离尚远，旗舰出发抓紧午餐的命令。了望哨这时准确地报告说，前方日舰共12艘。丁汝昌下令舰队把航速提高至7节。
北洋海军在迎敌时，最初排出的是五叠小队。"定远"、"镇远"为第一小队；"致远"、"靖远"为第二小队，"来远"、"经远"为第三小队；"济远"、"广甲"为第四小队，"超勇"、"扬威"为第五小队。每小队的两艘军舰前后错开，呈梯队状。因此，远远望去，模样上有点像夹缝鱼贯阵。
自从丰岛海战后，北洋海军已做好了海战准备，各舰除留一艘六桨小艇外，将其余救生艇全部卸除。一来显示全体官兵与军舰共存亡的决心，二来也是清除容易被敌击中的目标。为了第二个需要，各舰还把与战斗无关的索具、木器、玻璃窗乃至"定"、"镇"两舰主炮塔的钢炮罩皆留在岸上，以减少火灾燃延和炮弹造成的空气震荡。军舰涂上深灰保护色。速射炮之间用砂或煤包堆置起来，以作防护。当战斗命令下达后，水兵们迅速关闭所有无关舱门，从弹药舱提取炮弹。所有的炮口，都森森地指向远远而来的敌舰。
日本舰队这天上午6时30分抵达海洋岛附近。他们没有找到中国舰队，便向大洋河口附近的大鹿岛海域进发。10时23分，正在航行中的第一游击队，在右舷方向极远处的海平线上，观察到一缕黑烟，接着又出现几缕。至11时30分，日方判定迎面驶来的正是北洋舰队。伊东佑亨下令，以"吉野"、"高千穗"、"秋津洲"、"浪速"4舰组成的第一游击队为前导，以"松岛"、"千代田"、"严岛"、"桥立"、"比睿"、"扶桑"6舰组成的本队在后跟上，以单纵队向东北方向迎击。为保护乘坐"西京丸"观战的海军军令部长桦山资纪的安全，命令"西京丸"、"赤城"两舰转移到本队的左舷。
海军编队的最高航速，是以编队内航速最低军舰的最高航速来确定的。联合舰队中的"吉野"时速23海里，是当时世界上航速最高的巡洋舰，但"赤城"航速仅10节，大大低于其他战舰速度。伊东把参战军舰分为两个编队，以充分发挥第一游击队的快速机动作用。
丁汝昌见日舰以单纵队向己方驶来，便根据战前预定方案，命令舰队改变队形，以双横队迎敌。第二列的军舰与第一列夹缝排列，而前后交错的各对姊妹舰彼此结为小队。他下达的训令规定：
1.战斗中，各姊妹舰或编为一个小队的军舰，尽可能留在一起，协同动作，互相援助；
2.主导原则是保持舰艏向敌；
3.所有军舰必须遵守一个基本规定：随同旗舰运动。
以双横队迎战单纵队，显然是受1866年利萨海战战例的影响，打破一般的单纵队侧舷交战常例。可怕的是，由于北洋舰队在行进变阵中航速没有保持好，侧翼诸舰开始落到后面。结果当舰队逼近敌舰时，呈现的竟是一个散漫的单横编队，中间突出，像个倒"V"字形。其序列为"济远"、"广甲"、"致远"、"靖远"、"定远"、"镇远"、"经远"、"来远"、"超勇"、"扬威"。战线拉得很开，弱舰散在两翼，缺乏保护。单横队不是丁汝昌的本意，但已无能为力。这时，日本第一游击队迅速驶过北洋舰队主力正面，企图包抄其薄弱的右翼。丁汝昌在洋员泰莱的建议下，命令全队同时向右转移4度，企图在临战前改变为左翼单梯队阵形，但是，已经来不及了。
12时50分，中日舰队相距5300米。这时，"定远"右主炮塔305毫米口径巨炮首先发出了震耳欲聋的第一炮，揭开了黄海海战的序幕。不幸的是，那炮的后座力竟使脆弱失修的舰桥当场震坍。丁汝昌从舰桥上跌落负伤。而他在战前又没有明确谁是自己的代理人，因此中国舰队从一开始便失去了统一指挥。
在火炮技术尚不发达的年代，一般采用三发试射、修正定位的方法。中国舰队利用重炮射程远的特点，先发制人，力争战场主动。5分钟后，"松岛"325毫米口径炮塔被"定远"150毫米口径舰炮击中，两名炮手负伤。接着，"定远"又连连中"松岛"。中国其他各舰，也以主炮猛轰日本联合舰队本队6舰。
日本舰队冒着弹雨向前迫近。12时52分，"松岛"在中国军舰3500米处，首先开炮迎击。55分，"严岛"开炮。同时，第一游击队的"吉野"开炮射击右翼最弱的"超勇"、"扬威"。58分，"桥立"开炮。1时，"千代田"开炮。整个海面被浓烈的硝烟所笼罩。日舰毁摧了"定远"的信号装置，破坏了中国旗舰同其他军舰的联络手段。
战斗开始时，中国舰队的V形编队顶部正好楔入了日本舰队之间，将第一游击队和本队一截为二。中国舰队集中攻击日舰本队。"严岛"右舷被一发210毫米的炮弹击中，11名水兵被杀伤。接着，又一炮弹穿过右舷，在汽罐室爆炸，6名水兵伤亡。1时10分，"桥立"主炮炮塔被击中，分队长高桥义笃大尉、炮术长濑之口觉四郎大尉和二等兵曹广重源槌被炸死，7名水兵负伤。"比睿"在猛烈炮火的轰击下与本队拉开距离，慌不择路，企图突入北洋舰队阵中，从"定远"左舷通过。中国军舰集中向其攻击，顿时将它的舰体、帆樯、索具打得体无完肤。接着，"定远"一发305毫米炮弹贯入其侧舷，在后桅处爆炸。大军医三宅贞造、大主计石塚铸太、少军医村越千代吉等17人当场毙命，分队长高岛万太郎大尉等32人负伤，整个后甲板被彻底破坏了。"比睿"拖着浓烟烈火，逃出重围。
第一游击队利用舰速优势，迅速通过中国舰队正面后，包抄中国舰队右翼薄弱的"超勇"、"扬威"。"超"、"扬"进行顽强抵抗，击中"吉野"后甲板，引起堆积在那里的炮弹、火药的连续爆炸，浅尾重行少尉和一名水兵被炸死。又炮击"高千穗"和"秋津洲"。"高千穗"右舷后部被炮弹撕裂了一道大口子。"秋津洲"的永田廉平大尉等5名官兵被炸死。
又一发炮弹击穿"浪速"一号炮台下的水线部分，引起海水灌入。但"超"、"扬"毕竟是旧式巡洋舰，航速慢、火力弱，在第一游击队的猛烈攻击下，终于燃起熊熊大火。"超勇"舰体渐渐向右舷倾斜，依然发炮不止，至1时30分沉没。管带黄建勋落水后，有人抛长绳相救，他不就而亡，时年42岁。
"扬威"情况与"超勇"相似。由于内部隔舱俱为木结构，因此难以扼制火势的蔓延。接着军舰开始下沉，舱面进水，首尾两炮间不能通行，弹药也无法提取。无奈之中，向北面大鹿岛方向撤退，后来搁浅在近岸海边，管带林履中，愤然蹈海成仁。
左翼的战斗仍在继续。中国舰队猛攻另一艘弱舰"赤城"号。双方距离仅800米。中方炮火先是击伤"赤城"分队长佐佐木广胜大尉，击毙海军少尉候补生桥口广次郎等。1时25分，又将正在舰桥上观看海图的舰长坂元八郎太少佐当场炸毙，鲜血和脑浆溅满海图桌。蒸汽管被炸裂后，使得航速下降，弹药供应也被断绝。"赤城"只能一面抢救、一面撤退。"来远"乘胜追击，2时15分，再次击中舰桥，炸伤代理舰长指挥作战的航海长佐滕铁太郎大尉。"赤城"急放尾炮，击中"来远"前甲板，造成"来远"起火撤离。
乘坐"西京丸"观战的桦山资纪看到"比睿"在2时挂出"本舰火灾，退出战列"的旗号，又看到"赤城"陷于合围之中，便于2时15分挂出"'比睿'、'赤城'危险"的旗号，召唤第一游击队回援左翼。"定远""镇远"及其他2艘中国军舰立即集中火力攻击"西京丸"。四发305毫米炮弹、一发210毫米炮弹、二发150毫米炮弹、四发120毫米炮弹相继从200米处飞来，在两舷、上甲板、轮机房爆炸，使得蒸汽管破裂，蒸汽舵无法转动。"西京丸"挂出"我舵故障"的信号。接着，一发150毫米炮弹和数发速射炮弹横扫后甲板，将舵及信号机装置破坏。另一发炮弹洞穿下甲板，摧毁五个舱室，引起大火燃烧。"西京丸"只能用手工操舵，艰难地调转航向。这时，正遇上前来助战的"平远、"广丙"和鱼雷艇"福龙"。"福龙"向"西京丸"连续放射3枚鱼雷，其中有一次攻击双方距离仅40米，可惜都未命中。使得"西京丸"得以逸去，单独返回日军锚地。
战斗极为惨烈。丁汝昌本来不能指挥海战，负伤后便坐在甲板上，鼓舞官兵杀敌。中国官兵在战斗中表现英勇，事迹感人。"镇远"主炮在发射中，忽然中弹，一个炮手的头骨当场被炸碎，血迹飞溅。其余炮手毫无惊惧，将尸体搬开后继续射击。炮术长的弟弟战前来舰访兄，因故未能离舰，此时也在炮台上协助作战，哥哥负重伤后，他略作安慰，仍回岗位。为了防止通气管把甲板上的火焰引入机舱，水手们把风斗卸除。这样，机舱内温度升至华氏200度，舱内人员冒着高温工作不息。"来远"水手王福清在搬炮弹中，脚跟被弹片削去，竟毫无察觉，依然奔跑如飞。
至下午2时40分左右，中国舰队损失"超"、"扬"两舰，但"平远"、"广丙"及诸雷艇前来参战，大中型军舰仍有10艘。日舰"比睿"、"赤城"、"西京丸"退出战场，仅剩9艘。中国军舰虽然顽强作战，但缺乏统一指挥，只是以两铁甲舰为核心，相邻诸舰自行协调，各自为战，处于内线防御态势，加上弹药储备不足，大口径火炮减少发射，用小炮抵御攻击。而日舰减去了弱舰，反而丢掉包袱，便于机动，以第一游击队和本队两个单纵队，前后环击，并以速射炮的优势，向中国军舰倾泻弹雨。第一游击队在看到"西京丸"发出的信号后迅速左转，回驶北洋舰队正面。本队则驶过中国舰队右翼，继续右驶，企图包抄后路。2时34分(一说2时45分)，"平远"的一颗炮弹击中"松岛"左舷。炮弹从士官次室穿入，水雷长事务室、左舷鱼雷发射管、油槽及主炮机件均被炸坏。3时10分，"平远"炮弹击中"松岛"左舷中央鱼雷室上部，炸死鱼雷发射员2人。日本舰队也拼命回击，致使"来远"、"平远"、"广丙"相继起火。"定"、"镇"两舰临危不惧，依凭坚固装甲与敌周旋激战。3时30分，二发305毫米口径巨弹命中"松岛"4号炮位，引起堆积在甲板上的弹药大爆炸，顿时发出惊天动地的巨响，状如雷电崩裂。军舰上空白烟翻腾，形成一个大火海。海军大尉志摩清宜等28人当场毙命。68人负伤。死者的头、手、足、肠到处散乱着，脸和脊背被炸得难以分辨。那些断骨上，肌肉早被烧毁，就像火化后的白骨。粘糊糊的鲜血沿着船体倾斜方向汩汩流去。滴着鲜血而微微颤动的肉片贴在炮身上，尚未冷却。爆炸使大部分火炮被击坏，指挥塔内的舵机受损，各种电缆被炸得乱七八糟。"松岛"失去了作战能力。伊东祐亨只得调集军乐队员充当炮手和参与灭火。至4时，"松岛"悬起不管旗，命令各舰自由行动，伊东率幕僚将旗舰移至"桥立"。
第一游击队始终保持建制和高度机动，并不停地射击。北洋舰队中航速最高的巡洋"致远"号此时已受重伤，水线下有10英寸和13英寸炮弹击出的大洞。而水密门隔舱的橡皮，因年久破烂，难以起到防堵海水贯通全舰的作用。海水汹涌地灌入，使军舰随时有沉没的危险。管带邓世昌知道军舰已到最后关头，决心孤注一掷，用舰艏冲角向从阵前掠过的"吉野"拦击。他在指挥台上镇静地大声喝道：
"我辈从军卫国，早置生死于度外。今日之事，不过就是一死，用不着纷纷乱乱!我辈虽死，而海军声威不致坠落，这就是报国呀!"
在他的激励下，全舰官兵同仇敌忾，鼓足马力，一面用抽水机不停地抽去舱中海水，一面向日舰勇敢地冲击。日舰见状，紧急逃避，并向"致远"发出雨幕般的炮弹，终于将"致远"击沉。"致远"的头部首先扎入水中，船尾在海面上高高翘起，露出它仍在旋转的螺旋桨。接着，整个军舰渐渐在海上消失，留下一个巨大的漩涡。
邓世昌，字正卿。广东番禺人，生于道光二十九年八月十八日(1849年10月4日)，死于光绪二十年八月十八日，按农历推算，恰好45岁。
"致远"沉没是北洋海军的一个重大损失。"济远"管带方伯谦见"致远"沉没，大惊失色，便驾舰退出战场，向旅顺口方向逸去。"广甲"管带吴敬荣见状仿效。这时，"靖远"、"经远"、"来远"也负弹累累，火势蔓延，便随之而去。4时16分，"平远"、"广丙"也因负伤，退出战场，驶往近岸修理。第一游击队4舰追击"靖"、"经"、"来"至大鹿岛一带。首先集中攻击"经远"。"经远"管带林永升，临危不惧，以一敌四，从容发炮。忽被弹片击中头部，血流满面，当场牺牲。林永升，字钟卿，福建侯官人，是个性情和易的人，从不在众人面前训斥部下，和部曲感情深厚。战斗中表现极为英勇。他死之后，帮带大副陈荣、二副陈京莹接替指挥，也先后殉国。日舰向"经远"发射鱼雷和排炮，使其火势越烧越大，至5时30分，从左舷翻倒海中，不久沉没。
由于"经远"与敌相恃，使得"靖远"、"来远"得以扑灭火焰，堵塞漏洞，施行各种损管措施。当日舰见"经远"即将沉没，掉头前来攻击时，二舰背倚浅滩，沉着应战，直到战斗尾声。
坚持在海战场上的中国军舰，此时只剩"定"、"镇"两舰。日本舰队本队五舰环绕着"定"、"镇"继续猛攻。两舰巍然屹立在茫茫大海中，鏖战不息。日本设计"松岛"、"严岛"、"桥立"专为对付"定远"、"镇远"。舰上装备了320毫米口径巨炮，认为可以贯穿30英寸厚的装甲。在"定"、"镇"的装甲及炮塔护甲上，被日舰炮弹击出的弹坑密如蜂巢，但深度没有超过4英寸以上的。以致日本水兵三浦虎次郎惊叹地叫道：
"'定远'号怎么还不沉呢? "
下午5时45分，太阳西垂，暮色将临。伊东感到单凭"严岛"、"桥立"、"千代田"及负伤的"松岛"、"扶桑"，要击沉"定"、"镇"几无可能。于是下令升信号旗招唤第一游击队归队，一起驶回临时锚地。"靖远"、"来远"见日舰退去，便往"定"、"镇"两舰方向驶去。"靖远"管带叶祖珪见"定远"桅楼被毁，主动升旗，招集其他军舰集中。"定远"、"镇远"、"靖远"、"来远"、"平远"、"广丙"6舰尾随日本联合舰队撤退方向追击了一阵，便转舵退回旅顺口。
持续了5个小时的黄海大海战至此结束。
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