北洋水师以四敌九。
被视为眼中钉的定远镇远成了日舰竞相倾斜炮弹的目标，“药弹狂飞，不离左右，”但两舰将士毫不畏惧，“各将弁誓死抵御，不稍退避，敌弹霰集，每船致伤千余处，火焚数次，一面救火，一面抵敌。”日方战后的记载也充满敬意：“定远、镇远二舰顽强不屈，奋力与我抗争，一步亦不稍退。”
厚重的装甲是定远和镇远最强的防御武器，激战中两舰各中弹数百发，但没有一发能穿破装甲，命中要害。这也是松岛号上日军水兵临死前流泪痛哭的原因。
观战的英国远东舰队得出结论：日舰之所以“不能全扫乎华军者，则以有巍巍铁甲船两大艘也。”
战至下午三点半钟，松岛号的巨大灾难突然降临。
镇远号“发出之三十公分半大炮炮弹，命中松岛右舷下甲板，轰然爆炸，击毁第四号速射炮，其左舷炮架全部破坏，并引起堆积在甲板上的弹药爆炸。刹那间，如百电千雷崩裂，发出凄惨绝寰巨响。俄而，剧烈震荡，舰体倾斜，烈火焰焰焦天，白烟茫茫蔽海，死伤达八十四人。
伊东祐亨见情况危急，一面亲自指挥灭火，一面下令以幸存者、军乐队等马上补充炮手。”抢救了40分钟后，松岛号的大火被扑灭，但舰上的设施摧毁殆尽，完全丧失了指挥和战斗能力。松岛号不得不先打出“各舰随意运动”的信号，后打出“停止战斗”的信号。
下午5时，侥幸未沉的松岛号摆脱了定远、镇远二舰，带领日军舰队向东南退却。而北洋水师的残舰则拖着满身的疮痍，返回了旅顺。
至此，历时五个小时惊心动魄的海战结束。
黄海大东沟海战，北洋水师损失致远、经远、超勇、扬威、广甲5艘军舰，，“定远”、“镇远”、“靖远”、“来远”等4艘遭到重创，死伤官兵1000余人;日本联合舰队松岛、比睿、赤城、西京丸4舰重伤，死伤官兵400余人。
因为定远镇远两艘主力巨舰没被击沉，北洋水师尚可一战，所以后世的不少国内学者认为日本只是“小胜”，中国因为“主力尚存”只是“小败”——这样的自欺欺人真的比失败更可怕。
黄海海战，从战略意义来看，无疑是一场赌上国运的决战。战后，丧失决战能力的北洋水师退回旅顺、威海卫，“避战保船”不再出战，日本海军就此掌握了黄海制海权。
比起战舰0:5的结果，制海权的丧失更可怕。从此，日军的军舰可以大摇大摆穿梭在中国的领海，运兵船可以明目张胆运送更多的陆军登陆辽东半岛和山东半岛。
尽管北洋水师作战英勇，但这是一场彻底的失败。
