中国海军为了加强华北沿海各港回的防卫，自7月27日至8月9日，先后3次派舰队巡弋大同江口。8月10日，日舰队进至旅顺、威海海面进行袭扰，我北洋海军则决定将主力从朝鲜海域撤回。9月12~15日，北洋舰队主力在旅顺、大连、成山角一带海面巡逻。李鸿章的意图是以北洋大舰在海上吓退日舰，根本没有决战的打算。而日本联合舰队已驶入黄海，正在寻找北洋舰队的主力，企图一决雌雄。
9月17日中午，在中国辽宁大东沟以南海面，北洋舰队再次遭到日本海军的袭击，发生中日黄海海战。这次海战后，北洋舰队撤人旅顺港，受伤各舰修复后返回威海卫。李鸿章夸大了北洋舰队在黄海海战中的损失程度，命令海军：“不得出大洋开战”。北洋各舰只能在威海、旅顺附近水域活动，日本海军从而控制了黄海的制海权。
10月24日，日本陆军第1军突破鸭绿江防线，侵入中国。日本陆军第2军也在海军联合舰队的护送下，在辽东半岛花园口登陆。11月7日，大连守军溃逃，日军轻取大连。22日，日军又攻陷了旅顺。当旅顺告急时，丁汝昌亲自到天津谒见李鸿章，要求率北洋舰队驰援旅顺。李鸿章却严令丁汝昌“保船避战”，并称：“汝善在威海守卫，汝数只船勿失，余非汝事”。日军占领辽东半岛之后，侵略军又把进攻矛头指向山东半岛，其主要目标在于消灭北洋舰队。
1895年1月18日，日军3艘巡洋舰驶至山东登州海面实施炮击，以转移清军视线。而日本陆军第2军却于1月19日至23日间分3批在荣城湾登陆。日本联合舰队全部出动，为其护航和掩护登陆。北洋舰队未能出海袭击登陆之敌，坐失战机。
1月25日，占领荣城之敌开始向威海卫进攻。30日，日军攻下威海卫南帮炮台群；2月2日，又占领了北帮炮台群和威海卫城。随后，日本陆海军联合进攻困守刘公岛的北洋舰队。面对敌军的海陆夹击，北洋舰队广大官兵孤军苦战，多次击退敌军舰艇的攻击。2月11日，在敌军连日进攻下，北洋舰队的“定远”号、“来远”号等舰艇先后被击伤或沉没，弹药将尽，伤亡激增，援兵无望，少数败类哗变，丁汝昌自尽殉节。此后，威海卫水陆营务处提调牛昶炳交出残余舰艇11艘和刘公岛诸炮台，向日军投降。
北洋舰队全军覆没后，侵华日军连续攻占山海关外的牛庄、营口、田庄台等军事要地。腐败的清廷惊恐万状，遂派李鸿章为全权代表出面议和，使日本侵略者完全达到了预期目的。日军将他在这次战争中使用联合舰队实现战略任务的基本经验概括为3条：第一，黄海之决战，显示了海战的基本特点；第二，黄海一战夺得了制海权，从而保障陆上作战的顺利实施；第三，歼灭对方舰队，即可迫其放弃继续作战的信念。这3点经验的核心思想就是通过双方舰队的总决战来夺取制海权，从而赢得整个战争的胜利。日本海军如此总结它的战争经验未免带有很大的片面性。它首先忽视其中的政治因素。
显而易见，中国海军在中日甲午战争中道到失败的最根本原因，是清朝封建统治集团昏庸无能；只想求和，而不大力发动和组织军民坚决进行反侵略战争。其次是日本海军没有注意到当时的具体环境，即清廷政治上的投降主义必然导致军事上的失败主义。李鸿章等人根本没有树立打败日本侵略者的坚强信念，始终执行消极防御方针。因而采取完全被动的战略战术。这些东西不仅捆住了北洋舰队广大爱国官兵的手脚，更重要的是束缚了他们的作战思想，使之不能机警而锐敏地抓住有利战机，主动而灵活地打击与消灭入侵之敌。谁人要把这些特定条件下的作战经验视为永恒不变的一般军事原则，是注定要吃大亏的。