1894年1月30日，一直停泊在荣成湾的日本联合舰队二十一艘军舰(留四餿警戒运输船)，在南帮炮台两军激战时，于凌晨2时启航开向威海,7时抵达百尺崖南，先后配合陆军轰击杨峰岭、所前岭炮台。南帮炮合陷落后，北洋舰队因威海港东口暴露在敌军陆路炮火之下，遂移至西口。
于是，日鱼雷艇得以破坏东口障碍物，且入港袭击北洋舰只在此不利的情况下，北洋舰队本应冲破日军舰队的封锁，出到海上，拚力一战。清廷早在1月23日即曾电谕李秉衡：“现在贼踪逼近南岸，其兵船多只，难保不闯入口内，冀逞水陆夹击之诡谋。我海舰虽少，而铁甲坚利则为彼所无，与其坐守待敌，莫若乘间出击，断贼归路。”李鸿章于同一天电告丁汝昌：“若水师至力不能支时，不如岀海拚战。即战不胜，或能留铁舰等退往烟台。”邓世昌却表示：“海军如败，万无退烟之理，惟有船没人尽而已。旨屡催出口决战，惟出则陆军将士心寒，大局更难设想。”他决定株守港內，既不出战，又不转移。
1月30日，李鸿章再次电告丁汝昌、戴宗骞∶北洋舰队应冲岀威海，“设法保船”。“万一刘(公)岛不保，能挟数舰沖岀，或烟台，或吴淞，勿被倭全灭，稍赎重愆。否则，事急时将船凿沉，亦不贻后患。”但是，丁汝昌仍迟不执行2月3日，日舰及占据南帮炮台的日军以大炮水陆合击刘公岛及北洋舰队，双方相持竟日。刘公岛清军伤亡甚众。当夜，日鱼雷艇队闯入东口袭击北洋舰只，“定远”中雷重伤，不久自毁。但日军也有五艘鱼雷艇被击沉“定远”毁后，丁汝昌移督旗于“镇远”舰。
5日，日军又水陆一起发炮轰击，炸毁日岛弹药库及地阱炮。清军发炮还击，击伤日舰两艘。6日凌晨，日鱼雷艇又入东口，袭沉“来远”、“威远”及“宝筏”号。7日，管带王登瀛私率十二艘鱼雷艇从西口逃岀，遭日舰追击，全部被俘。此时，刘公岛电讯已中断，形势岌岌可危。在北洋舰队服役的洋员唆使部分民族败类鸣枪过市，公开要求投降，引起刘公岛居民惶惧，军心涣散。
9日，“靖远”被敌击沉。当天，刘步蟾自杀。此时，北洋舰队尚有“镇远”、“济远”、“平广丙”以及“镇中”等大小舰船十艘，但弹药将尽。10日，丁汝昌命令沉船，由于洋员的阻挠，无人执行。11日，丁汝昌得到烟台密信，知李秉衡已远逃莱州，陆路增援已无希望，便召开会议，研究突围。当即遭到洋员瑞乃尔(德国炮师)、马格禄以及小撮民族败类营务处道员牛昶炳等的坚决反对，迫使丁汝昌、张文宣等相继自杀。12日晨，一群贪生怕死之徒盗用丁汝昌名义，向日本舰队投降。
于是，北洋舰队尚存的“镇远济远”、“平远”等十艘舰艇以及刘公岛炮台和军资器械，全被日军所掳。日军从荣成湾登陆至占领威海卫军港，为时仅三个星期。和辽东半岛之战一样，清军在山东半岛之战中仍然采取消极防御的被动挨打方针，作战指导上产生了一连串的失误。首先，由于对日军攻占旅大之后的战略企图判断错误，在战略防御部署上重奉天而轻山东，山海关内外重兵云集，山东方面则不但没有增加，反而抽兵(总兵章高元所率嵩武军八营)北援辽东，以致日军由荣成西进时，山东清军无足够数量的预备队可供调遣，不得不从威海附近分兵堵截，造成顾此失彼的被动态势。
其次，山东清军在部署上分兵把口，以致处处兵单，尤其是没有汲取日军于花园口登陆从侧后进犯旅大的教训，对敌人从远处登陆进行侧后攻击的可能性缺乏预计；当得知日军已从荣成方向登陆后，又未能及时集中兵力，组织有力的反击，致使登陆之敌得以两路并进，直扑威海。
此外，李鸿章死守其保船避战的错误方针，既规定北洋海军¨不得岀大洋浪战”，又不准陆路各军半渡而击，主观地认为只要固守大小炮台依仗“能击四面”的新式大炮，即可使日军“断不敢近”，这无异于把战场主动权拱手授之于人，而使自己立于未战先败之地，加上丁汝昌最后抱定“惟有船没人尽而已”的愚蠢打算，拒不执行出口决战和突围退却的指示终于酿成北洋海军坐以待毙、全军覆灭的可悲结局。
恩格斯在评论俄土锡诺普海战时指出，土军分舰队的覆灭，是土耳其方面犯了一系列令人难以置信的错误造成的。“考虑到失败绝对不可避免，因此只要风向许可，土耳其分舰队也许最好是起锚并倾全力向俄军攻击。这样做，虽然不可避免地要牺牲几艘舰船，但是至少可以保存部分舰船。北洋舰队重蹈土耳其分舰队的覆辙，同样是犯了一系列错误的结果。
