黄海大东沟海战进行到下午13时15分以后，北洋舰队初期接战的十艘军舰中，“超勇”号撞击巡洋舰已含恨沉没，日本的赤城号沉没、高千穗也沉没。而日本联合舰队的“扶桑”、“比睿”二艘军舰在北洋舰队左翼舰只的打击下先后重创。
下午13时许，在大东沟警戒的平远、广丙两舰以及福龙、左一两艘鱼雷舰加入战斗。
北洋舰队的后续兵力“平远”、“广丙”以及鱼雷艇队的到来，使得胶着了近2个多小时的海战场上又掀起了一段战斗高潮。虽然到此时为止北洋舰队只损失了一艘战舰，日本联合舰队也有四艘军舰在交战中先后失去战斗力。
但是实际上，北洋舰队以小队为单位的主动出击战术并未能实现战前设定的目标。第一时段的激烈战斗过后，没有能给日本联合舰队造成大的损失，反而北洋舰队在战场全局上已经陷入了相当尴尬的境地。日本联合舰队经过开战初期的适应调整，付出了数艘军舰受创月兑队的代价后，制定和逐渐完成了对北洋舰队月复背夹击的布署。而且日本联合舰队主力编队具有航速高、行动敏捷的特点，利用机动力方面的优势可以始终保持与北洋舰队拉开适当距离，使得航速本就迟缓的北洋舰队无从逼近发起乱战冲击战术，迫使其只得进行自己并不占优势的炮火对抗。并且联合舰队本队和第一游击队的编队队形依旧基本完整，运动自如，日本舰队在炮位数量、火炮射速以及弹头装药威力等方面具有的巨大优势足以从火力上完全压倒北洋舰队。
此时，日本第一游击队已经迂回到北洋舰队的背后，与本队策应夹攻，使北洋舰队首尾难以相顾。
14时10分，日本二等铁甲舰“扶桑”号突奏奇功，“扶桑”舰中央八角台炮房内的一门240毫米克虏伯后膛炮击中了“定远”舰，重达160千克的炮弹刚好命中“定远”舰没有防护的舰首部位，毫不费事地穿透外壁的船壳板后直入舰内！
一时间，位于战场中央的军舰都能够很清楚的看到，“定远”舰几乎已经完全处在了浓烟的包围中，而且舰首部位还在不断地向外迸射着火光，恍若在烈火中苦苦挣扎的苍龙。
北洋舰队旗舰陷入大火之中，火炮射击也完全停顿了下来，看到这样的情形，日本联合舰队军舰上到处都充满着狂欢的气氛，将近十年以来，日本全国上下都视“定远”为虎豹而寝食难安，节衣缩食、费尽周章想要摧毁这艘亚洲第一巨舰及其代表的中国海军，此刻，梦想眼看就要变为现实了。为了不放过这个难得的夺功机会，坪井航三指挥第一游击队三艘新锐巡洋舰逼近已无还手之力的“定远”，集中大小炮火加以聚攻，伊东佑亨指挥的本队各舰也在背后不断攻击，弹雨浇注在“定远”身上，爆炸声不断响起，情势万分危急。
正在司令塔内忙于指挥操舵，以使军舰尽量躲避日方攻击，争取灭火自救机会的“定远”舰管带刘步蟾，猛然发现在他的左侧，广东人邓世昌指挥的“致远”舰靠拢了过来，排水量仅有2300吨，没有任何竖甲防护的穹甲巡洋舰“致远”驶出了“定远”之前。“
“致远”舰在用自己并不厚实的身躯默默地为旗舰遮挡着炮弹！紧接着，位于“定远”右侧，由林泰曾、杨用霖指挥的“镇远”舰也挺身而出，与“致远”舰并力抗击日舰，共同护卫旗舰。
借助“致远”、“镇远”不惜生命换来的这段宝贵时间，在“定远”舰上与火魔搏斗的官兵们获得了成功，大火终于被扑灭，“定远”舰万幸躲过了一场劫难。
旗舰转危为安，“致远”舰却为此付出了太大的代价。与同样挺身而出的铁甲舰“镇远”不同的是，“致远”舰并不具备那么强大的防护力。为了掩护旗舰，与第一游击队三艘战舰炮火抗衡的过程，对于“致远”舰而言无异于是生命慢慢消耗的过程，“致远”的舰体已经有多处被击穿，不过在定远月兑困后，邓世昌果断下令退出战斗，此时若再坚持战斗整个军舰无疑会有沉没危险。
北洋舰队也取得了一个极为重大的战果，第一小队的铁甲舰“镇远”用305毫米克虏伯主炮重创了日本联合舰队旗舰“松岛”！
为掩护“定远”舰救火而冲出与“致远”舰并肩作战后不久，日本第一游击队渐渐运动向北洋舰队的左翼，联合舰队的本队出现在“定远”、“镇远”舰眼前，主炮后置、外形特点鲜明的日本联合舰队旗舰“松岛”再次成为中国军舰攻击的焦点。14时30分，“镇远”舰主炮台上连续射出2枚305毫米口径炮弹，均命中了“松岛”舰，考虑到当时双方的距离为1700米左右，大口径火炮能获得这样的命中率可谓相当惊人。
“镇远”舰一阵炮声隆隆后，在之前的战斗中已经被“平远”舰击坏主炮的“松岛”，遭到了始料未及的沉重打击。炮弹从“松岛”舰左舷炮甲板第四号速射炮炮位的上方穿透后爆炸，突中巨弹的“松岛”舰舰体发出颤动，然而这才只是灾难的开始，日本官兵还没从这次命中所带来的惊慌中反应过来时，又一颗305毫米炮弹接踵而来。
紧接而来的这颗305炮弹命中的位置和上一颗炮弹接近，仍然是在四号炮位，巨弹直接击中了“松岛”左舷第四号120毫米速射炮的炮盾，受到重击的引信立刻开始工作，弹头内填充的无烟药很快点燃炮，炮弹在第四号炮位上轰然炸开。
更为恐怖的事情很快就发生了。战时为保证速射炮的弹药供应，“松岛”舰主甲板下的这层炮甲板上，堆积了大量的120毫米速射炮炮弹，然而此时，这些弹药却成了巨大的安全隐患，“松岛”舰的火炮甲板仿佛是一个即将点燃的巨大火药桶，天意使然，应该让日本海军自己尝试一下下濑火药的滋味了。
被305炮弹打飞起来的120毫米速射炮摔落时，刚好砸在了弹药堆里，性态敏感的下濑火药遭受重击后立刻发生了反应。堆积在第四号120毫米速射炮位附近的大量下濑火药炮弹以及硫化棉发射药被引爆了！“松岛”舰上发出接连不断的巨大爆炸声，呛人的黄色毒雾立刻在舰内弥漫开来。下濑火药爆炸产生的冲击力，一面将“松岛”左舷的船壳板撕开了更大的破口，一面发出怒吼穿透冲上了主甲板，在主甲板的左右两侧都留下了2个巨大的破洞。使舰体失去了平衡，舰体倾斜，海水灌入。”
北洋舰队的官兵简直都不相信自己的眼睛了，日本旗舰“松岛”在不断发生爆炸被接连命中，舰体也开始了倾斜，似乎就快要沉没了。
不过上天好像对北洋开了个玩笑，经过30分钟左右，“松岛”舰内的大火竟然被扑灭，不过却也无所大伤，火灾被扑灭之际，“松岛”舰事实上已经不再具备战斗的能力。
此时还有一个让人不齿的事情出现了，大东沟海战开始时就一直龟缩在阵形后的“济远”舰，此时开始转舵逃跑。
作为北洋舰队阵形左翼压阵的第四小队领队舰舰长，方伯谦并没有丝毫战斗的决心，开战之初“济远”、“广甲”就落后于全队，始终徘徊在阵形之后。北洋舰队与日本联合舰队接近时，由于左翼势必是最先遇到日本舰队的位置，为躲避战斗，方伯谦即指挥“济远”从北洋舰队阵形之后向右翼方向闪避，连带僚舰“广甲”与之一起行动，使得北洋舰队一开始就丢失了一个小队的战力。日本第一游击队开始攻击右翼的“超勇”、“扬威”时，已经躲避至右翼附近的“济远”、“广甲”又立刻向较为安全的左翼躲避。至北洋舰队左翼诸舰开始围攻“比睿”、“赤城”等日本军舰时，甚至连僚舰“广甲”都主动参加战斗，而“济远”依旧观望在后。更为无耻的是，“济远”舰还挂出了“我舰已经重伤”的信号旗，以为逃跑寻找托辞。
更为不可思议的是，在逃跑的过程中，“济远”舰竟然撞上了友舰“扬威”。这艘一开始便被的残的老船，没有被日军炮火击沉的战舰，未曾料到会被友舰毁灭。奔逃中的“济远”舰高速撞上了重伤的“扬威”，随即又毫不留情地倒车、离去，最终这艘战舰在挣扎着进入浅水区后不幸下沉搁浅。望着绝尘而去的“济远”，“扬威”舰管带林履中悲愤莫名，蹈海而逝。作为“济远”舰撞击“扬威”的直接证据，当“济远”逃回旅顺时，存在一个重大的伤情，“头裂漏水”。
重创日本旗舰“松岛”的胜利未能抵消因左翼军舰“济远”、“广甲”逃离战场而给北洋舰队带来的巨大阴影，孤雁失群的“经远”舰以及右翼第3小队“靖远”、“来远”舰之后也相继离开战场，向大鹿岛方向的浅水区驶避。海战场上北洋舰队实际只剩下了由“定远”与“镇远”二艘铁甲舰组成的第一小队。战场态势几乎就在瞬间发生了急剧恶化，北洋舰队预先设定的作战队形基本崩溃，战局至此已没有可以挽回的余地。
日本第一游击队立刻发现了北洋舰队中出现的溃逃情况，司令官坪井航三指挥一游三舰转舵向西北方向进行追击。坪井航三敏锐地判断，北洋舰队阵形的崩溃对联合舰队而言就是一举获得胜利的最好时机，可以采用优势兵力趁中国军舰溃散时加以分割歼灭。
北洋舰队这时仅剩下了“定远”、“镇远”二艘同级的钢铁姊妹舰还坚守在战场上，她们面对的是“松岛”、“千代田”、“严岛”、“桥立”、“扶桑”等5艘日本本队军舰。身遭重创的“松岛”显然不愿意放弃眼前过于诱人的目标，开始竭力使用未受太大损失的右舷火炮向“定远”、“镇远”射击，击沉“定远”、“镇远”对于日本而言，与其说是出于单纯的军事目的，不如认为这是一个民族对另一个民族卫国支柱的嫉恨，两艘铁甲舰已经成了大和民族心理上的阴影。“打沉‘定远’、‘镇远’”的口号，已经在日本军舰上喊得震天响了。
更为严重的是，二舰赖以克敌制胜的主要武器在长时间的战斗中也出现了损失，一直处在露天状态作战的305毫米主炮几乎都受了损伤，“定远”剩余3门可以继续发射，“镇远”则仅剩2门能够使用，“定远”、“镇远”与日本本队5舰间的对抗，构成了一幅极不对称的画面。白色的日本军舰在不断地开火，唯恐射速还不够高，显得杀气腾腾；两艘龙旗铁甲舰则不断被击中起火，“药弹狂飞，不离左右”，却仍然势如泰山，岿然屹立，缓慢但有节奏地发炮进行还击，显得异常的坚强、执着。
在炮弹密集疯狂的打击下，“定远”、“镇远”先后数度燃起大火，两艘铁甲巨舰互为依靠，一面救火，一面继续射击，没有流露丝毫怯色。
什么是柱石，两舰完美诠释了柱石的含义，她们最终守住了北洋舰队在这次海战中的底线。日本联合舰队的官兵彻底被眼前的景象震慑了，两艘中国铁甲舰几乎都已遍体鳞伤，但没有一处弹痕的深度能够超过4英寸，除了不断使两艘中国军舰燃起大火外，对“定远”、“镇远”厚厚的装甲，日本本队五舰均束手无策，这毕竟是两艘一等铁甲舰，虽然她的炮火配置已显得落伍，但是防护力却是在场的中日军舰中最为强大的。原本不可一世，认为胜利唾手可得的日本官兵，在经历了一个多小时的反复炮击后，发现并没有能给“定远”、“镇远”造成多大伤害，两艘铁甲舰在弹雨中没有露出一点屈色，依然一副奉陪到底的无畏姿态，此时日本官兵大都有些无奈和绝望了，他们觉得面对的是2艘永远不可能沉没的神舰。
“‘定远’舰怎么还打不沉啊！”
“松岛”舰面目全非的火炮甲板内，月复部重伤的日本三等水兵三浦虎次郎发出了如此的浩叹。透过他身旁舷壁上的巨大破口向外望去，巍巍铁甲舰“定远”、“镇远”显得是那么的坚不可摧，恍如是海上的长城！著名的“永不沉没的‘定远’”称号即由此得来。
但就在此时，镇远舰上已经停了很久的火炮又怒吼了起来，一枚炮弹急速地向着松岛号飞来。
经过一个多小时的炮击，舰船虽未沉没，但火炮却已经坏了，但沉寂了一会之后，镇远号官兵发现又能发射了。于是……松岛号沉没了。
距离炮声隆隆的黄海大东沟海战主战场不远，另外一场生死搏杀也在同步上演。日本第一游击队三艘新锐巡洋舰在追击退离战场的中国军舰。
当时向大鹿岛附近浅水区方向退离的中国军舰一共是“济远”、“广甲”、“经远”、“靖远”、“来远”等五艘。三艘军舰追五艘军舰这是很滑稽的，但五艘军舰并不是一起的，所以个个击破不是不可能，而后世正是如此。
不过与后世不两只的是，现在日本第一游击三舰均已被打残，速度优势不再。
到了下午18时，三舰终于逼近了“经远”号，不过也就在此时，第一游击队的信号兵突然发现，远处海战主场上的联合舰队旗舰“松岛”升起了一组旗语。伊东佑亨考虑到夜幕即将降临，担心如果继续进入夜间交战，日本军舰在炮火使用和编队上将会出现混乱，同时深恐北洋舰队的鱼雷艇借助夜色发起偷袭，为确保住既得的战果，于是决定结束战斗。
大东沟海战结束！
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