自午后14时至15时30分为海战第二阶段。
当日舰“比睿”逃出北洋舰队包围，抄近路追及本队时，因舰上余烬末熄，火灾再起。大火燃及弹药房，十分危急。“比睿”被迫挂出“本舰火灾，退出战列”信号，离队向西南方逃去。“赤城”见状，急往营救。北洋舰队“来远”等数舰见“比睿”逃走，立即鼓轮奋勇追击。当距“比睿”三百米左右，“比睿”发炮击中“来远”甲板，引起火灾。其他各舰减速至“来远”周围施救。“比睿”“赤城”乘机猛逃，距离逐渐拉长至八、九百米。
此时，在附近行驶的“西京丸”见状大惊，急忙发出“比睿、赤城危险”信号，召唤其他日舰前来救援。
到了2时5分，第一游击队已通过北洋舰队右翼，正拟转入北洋舰队背后，伊东祐亨急忙发出信号，命令第一游击队回救“比睿”“赤城”。第一游击队奉召立即向左转舵回驶，以高速向“比睿”“赤城”与北洋舰队之间运动，用左舷炮火射击，且击且进。“赤城”“比睿”得救，乘机逃离战场。
此时，原停在大东沟口外的“平远”号防御铁甲舰、“广丙”及鱼雷艇，应召前来助战。驶到北洋舰队右翼后方，适与日本本队相遇，各舰立即向日舰发起攻击。2时34分，“‘平远’发射二十六公分炮弹一发，命中‘松岛’左舷军官室，贯穿鱼雷用具室。打死左舷鱼雷发射员四名”。
3时10分又中一炮，炮弹“打穿左舷中央鱼雷室上部，在大樯下部爆炸。打死左舷鱼雷发射员二名”。
3时15分，“严岛”又被“平远”击中两炮。但同时“平远”亦被日舰击中起火，被迫退出战场。这时，日舰本队已驶过北洋舰队右翼，继续向右转舵，绕至北洋舰队背后，恰好与第一游击队形成对北洋舰队夹击之势。于是，日本舰队处境开始转向上风，北洋舰队因被包围，处于内线作战，腹背受敌，转趋不利地位。
北洋舰队虽腹背受敌，形势不利，但广大官兵毫不畏缩气馁，反而“愈战愈奋，始终不懈”。提督丁汝昌身受重伤，不下火线，置个人生命安危于不顾，裹伤后，坐于甲板上鼓舞士气，“激励将士，同心效命”。
右翼总兵定远管带刘步蟾于丁汝昌负伤后，“代为督战，指挥进退”，尤为出力。广大士兵顽强奋战，不怕牺牲的爱国主义精神更为感人。就连亲身参加海战的定远副管驾英国人泰莱也承认：“众士兵均狞厉振奋，毫无恐惧之态。当予巡视时，一兵负重伤，同侣嘱其入内修养；及予重至此炮座，见彼虽已残废，仍裹创工作如常”。
“超勇”“扬威”虽被日本第一游击队击中起火，但并未停止战斗。官兵们一面救火，一面抗击。特别是“超勇”舰体虽已左右倾斜，然犹以前部炮火发射不停。
当“比睿”冒险闯入北洋舰队阵中，企图抄近路与本队会合时，适与“超勇”相遇。“超勇”在烈焰升腾中也不肯放过敌舰。一面救火，一面向“比睿”发炮轰击，表现了同敌人血战到底的英雄气概。之后，敌舰本队绕至北洋舰队阵后，聚攻“超勇”。
“超勇”孤立无援，2时23分，终于在敌舰炮火丛集下，于东经123°32′1″，北纬39°35′海面沉没。
管带黄建勋落水，“左一”鱼雷艇驶近相救，抛长绳救他，黄建勋没有接受，从容死难，舰上士兵也大部壮烈牺牲。
“致远”号官兵奋勇杀敌，视死如归的英雄气概，尤为可钦可佩，可歌可泣。在管带邓世昌指挥下，“致远”号纵横海上，与敌奋战，中弹累累，受伤欹侧。
在激烈的战斗中，炮弹垂尽。这时，恰与日舰“吉野”相遇。邓世昌见“吉野”恃其船捷炮利，横行无忌，气愤地对大副陈金揆说：“倭舰专恃‘吉野’，苟沉是船，则我军可以集事。”决意与之冲撞，同归于尽。准备以已之牺牲，保全军之胜利。
陈金揆深为感奋，遂鼓快车向“吉野”猛力冲突。日本官兵见状大惊失色，集中炮火向“致远”射击，“致远”舰右侧鱼雷发射管被击中，引起大爆炸，3时30分，以右舷倾斜，在东经123°34′，北纬39°32′的黄海海面上沉没。全舰官兵除七名遇救外，全部壮烈殉国。（此说法目前最接近事实，“致远”舰冲向“吉野”号，有可能就是为了使用鱼雷攻击。也有另外的说法是“致远”舰水线处被日军大口径炮弹击穿，锅炉被击中，导致锅炉爆炸使“致远”沉没，战前北洋水师军舰已经把鱼雷抛入海中。）
邓世昌坠海后，随从刘忠跳入海中以救生圈援救，让他浮出水面，以便获得逃生希望。但是邓世昌以“阖船俱没，义不独生”，仍复奋掷自沉。邓世昌平时养了一条爱犬，见到主人遇难，便游到主人身边，用嘴衔着邓世昌的手臂，使他不要沉下去。邓世昌挥手驱赶陪伴自己多年的爱犬，但是这条义狗怎么也不远放弃救主人，反而用嘴衔着邓世昌的发辫。邓世昌抱决与全舰将士同生死、共存亡的决心，捺爱犬的脑袋在水下，自己也沉没于汹涌的波涛之中，牺牲时年仅四十六岁。
“致远”沉落后，在“致远”附近的“济远”管带方伯谦见状大骇。害怕敌舰掉过炮口轰击自己，慌忙转舵逃遁。
方伯谦为人狡诈阴险，绰号“黄鼠狼”，是个贪生怕死的民族败类。丰岛海战已经暴露了他卑鄙怯懦的可耻嘴脸。黄海海战他又做了一次丑恶的表演。海战开始后，他无意作战，只想逃避炮火。将舰上大炮用巨锤击坏，以作临阵先逃之借口。
接着，挂起“本舰重伤”信号，准备寻机逃遁。“致远”沉没，这个胆小鬼吓得丧魂落魄，下令转舵逃跑。慌乱中误撞“扬威”。“‘扬威’先已搁浅，不能转动，‘济远’撞之，裂一大穴，水渐汩汩而入”。不久在东经123°40′9″，北纬39°39′3″的黄海海面上沉没。管带林履中愤而蹈海死。舰上官兵除被左一鱼雷艇救出六十五人外，均壮烈牺牲。
海战后不久，军机处电寄李鸿章谕旨：“本月十八日开战时，自‘致远’冲锋击沉后，济远管带副将方伯谦首先逃走，致将船伍牵乱，实属临阵退缩，著即行正法”。9月29日凌晨5时，方伯谦在旅顺黄金山下大船坞西面的刑场上被斩首。
“广甲”与“济远”编为一队。“广甲”管带吴敬荣见“济远”先逃，以为有例可援，也随之逃跑。因惧敌舰追及，慌不择路，逃至大连湾三山岛外触礁搁浅。吴敬荣率众纵火弃舰，登岸逃命。海战后第二天，北洋舰队派“济远”拟将“广甲”拖回港内，猛拖不起，此时数艘日舰至，“济远”急退回大连湾，“广甲”被日舰发炮击碎。
日本第一游击队见“济远”“广甲”逃走，曾奋力追击。但因相距太远，追之不及，遂折回集中火力围攻位于北洋舰队右翼阵脚之“经远”。“先以鱼雷，继以丛弹”。“经远”中弹起火。管带林永升临危不惧，指挥全舰，奋勇抗御，“发炮以攻敌，激水以救火，依然井井有条”。以一抵四，拒战良久。突然，忽来敌炮，击中“经远”。林永升中炮，头裂牺牲。“经远”“火势愈烈，烟焰焦天，俄尔舰体逐渐向左舷倾斜”。
不久，左舷舰首向水中沉下。在舰体己下沉的危急关头，“经远”官兵仍继续沉着应战，一直坚持到最后。4时40分，终于在东经123°40′7″，北纬39°51′海面上，舰首向东，左舷倾覆，最后在庄河黑岛南老人石海礁附近沉没。全舰除16人获救外，近200人殉国。
在海战第二阶段，北洋舰队的“超勇”“扬威”“致远”“经远”先后沉没，“济远”“广甲”相继遁逃，共失去六舰，战斗力大减。由于“致远”“经远”“济远”等主要舰只的损失和遁逃，北洋舰队已无力主动向敌人进攻，不得不由第一阶段的进攻转为防御，由优势变为劣势。处境不利。
日本方面虽然“比睿”“赤城”“西京丸”三舰有的退出有的失去战斗力，但这三舰均系弱舰，不仅对舰队战斗力影响不大，反而由于三弱舰退出战场，使日本舰队无需再分散力量保护弱舰。实际上是减轻了负担，得以轻装上阵。这样，日本由第一阶段的劣势转为优势，战局的发展变得对日本有利，清政府痛失好局！