从七月初一日军猛攻汉城，左宝贵誓死抵抗，加之汉城城防工事非常到位，连续几天日军用尽手段，付出了一千三百人伤亡的代价依旧没有任何战果，只是汉城清军守军人员物资损失严重，急需补给。
七月初三，北洋水师镇远、平远、超勇三舰为汉城清军护送补给，半途中平远触雷沉没，在抵达牙山卸下物资回国途中又遭到了日本舰队桥立、浪速、秋津洲、西京丸四舰伏击，双方在牙山附近水域第二次展开海战，超勇舰被击沉，镇远寡不敌众受重伤。因为日舰桥立锅炉系统再次出现严重故障，浪速受重伤，所以并没有对镇远继续展开追击。
由于牙山水道被日本海军布雷，对北洋水师和运输船造成了严重的威胁，再加上连遭恶战北洋水师大多数舰船都是严重受损，所以七月初十那天是北洋水师最后一次为汉城清军左宝贵部运送物资补给，从此以后再也没有在牙山水域运送过物资。左宝贵遂放弃牙山大营，将两千军士撤回到汉城参与防守，以全心应对城外日军的攻击。
平远的沉没让北洋水师骤然紧张了起来，可是朝廷高层却对此没有任何反应——日本海军修理战舰的速度明显高过北洋水师，在南大洋的战斗才刚结束几天，日本舰队居然又开始在牙山附近设伏，要不是桥立舰的锅炉在战斗中出现问题，镇远这次可就悬了。
现在北洋水师主力战舰就靠定镇两舰来壮门面，而现在定远重伤还没有修好，镇远又被重伤了，加上致远、靖远，四艘主力战舰居然都在修复过程中，除去靖远受伤太过严重需要至少三个月的修理时间外，定远、镇远和致远都需要至少十天的修理时间。好在济远终于修复完毕，后主炮更换了江南制造局的双联装150毫米速射炮，成为北洋第一艘加装速射炮的主力铁甲战舰，先前改装的广乙和扬威都已经在南大洋沉没。
七月二十日，日军炮兵第三大队突然炮轰朝鲜平壤的工事，自此掀开了进攻平壤的序幕。十九日平壤城北四座堡垒和箕子陵阵地被日军攻克，平壤守将叶志超坚守平壤的决心动摇；二十三日日军付出四百人代价占领了战略要地牡丹台，日军将山炮队送上牡丹台，自此日军可以从牡丹台用火炮攻击玄武门及全城，这个时候叶志超已经完全丧失守城信心，开始准备撤出平壤。八月二日，叶志超率部由七星门、静海门蜂拥撤出平壤，但在雨夜中被野津道贯的第三师团伏击，激战一昼夜，清军损失惨重，三千人战死，一千三百人被俘。
二十七日，李鸿章给驻守金州的刘盛休发出电令：“平壤日兵三路渐逼，后路空虚，续调之兵皆远不济急。叶督屡电，后路安州距平壤不过一百里，最为紧要，殊嫌太单。似就近调铭军精锐四千人，乘船往安州一带扼要驻扎，既壮声援，又断元山抄袭。务望迅速整备，五日内船到即行。当令丁提督海军大队护送前去。其守炮台兵不应动，各营仍留新募一哨守营。”二十八日，李鸿章命盛宣怀将此任务通知丁汝昌，以便做好护运铭军的准备。同时，为了避免铭军调离后金旅一带兵力过于单薄，又从山海关调总兵赵怀业率怀军五营到大连湾填扎。
二十九日丁汝昌率北洋舰队主力抵大连湾，舰队一面补充煤水，一面等待运兵船搭载陆兵及辎重。当天午夜，诸事已毕，丁汝昌不敢耽搁，当即下令起航。三十日凌晨一时，丁汝昌率北洋舰队护送分乘新裕、图南、镇东、利运、海定五艘运兵船的铭军十营四千人，向大东沟进发。另外七艘舰艇为炮舰操江、镇南、镇中和鱼雷艇左一、右二、右三也随行。
午间，北洋舰队护卫运兵船抵大东沟口外，由于港内水浅，并为了保证陆军安全登岸，丁汝昌令镇南、镇中两炮舰和三艘鱼雷艇护卫运兵船进口，致远、广丙两舰停泊口外担任警戒，定远、镇远、济远、广甲、操江、镇南、镇中七艘战舰距口外十二海里下锚，以防止日舰袭击。当天下午，运兵船进口后溯流而上，至登陆地点陆续上岸。由于登陆地点离江口甚远，又辎重甚多，卸运费时，整整一个下午才有少半土兵上岸。于是，丁汝昌下令连夜渡兵卸船，直至次日早晨，十营铭军及炮械、马匹等全部登岸。这样，北洋舰队也就完成了此次护航的任务。
七月三十一日上午十一时北洋水师发现日本联合舰队，丁汝昌立即决定升火以待，挂‘三七二九’旗，命令各舰实弹，准备战斗，备舰皆发战斗喇叭，音响彻乎全队。日舰以吉野舰为旗舰，桥立、浪速、秋津洲、千代田、扶桑、赤城、西京丸、高雄、筑紫、八重山十一艘战舰参战，对阵北洋水师九艘战舰。这样的阵容已经是中日两国海军仅存的精华所在了，在前两次海战中，北洋水师和日本联合舰队都损失惨重。
严格算起来日本吃亏更多些，对定镇两舰威胁最大的三景舰沉了两艘仅存桥立一艘，但是日本数年来急剧扩充的海军根底还是比较雄厚，此时大东沟海面上日本依然能够拿得出十一艘战舰来和北洋水师拼命，而经历了南大洋海战之后的北洋水师已经有些力竭了。
中午十二时二十分，北洋水师以人字阵队形迎战日本联合舰队，双方展开了激烈的大海战。双方激战至下午六点五分结束，日本联合舰队指挥官中将桦山资纪怕北洋水师越战越勇，更怕在夜幕降临后会遭到北洋水师鱼雷艇的攻击，遂决定终止海战发出撤退的信号。
在这场总共近六个小时的战斗中，双方铁甲舰参战数量最多，持续时间最长，战斗最为惨烈，中日海军都遭受了最沉重的打击的大海战终于在东大洋的落日下结束了。北洋水师定远、济远、广甲、广丙、镇南、镇中、操江七艘战舰和右二、右三两艘鱼雷艇沉没；日本联合舰队桥立、秋津洲、扶桑、千代田四舰被击沉，高雄在战斗结束两个小时后，返航时触礁沉没。
这场大海战惊动了世界，相对于一个月前发生在南大洋的大海战，这次战斗惨烈到了极点，战斗中无论是北洋水师还是日本联合舰队都发生了数次与敌同归于尽的绝命冲击攻击——战斗开始不到两个小时致远为了掩护定远旗舰便冲向秋津洲，因为镇远及时支援两发305毫米炮弹有如神助的击中了秋津洲，其中一发命中弹药库发生剧烈爆炸，这才免去致远同归于尽；半个小时后正在攻击日舰八重山的济远被已经严重受损的千代田相撞，躲避不及两舰同归于尽；广丙使用鱼雷偷袭浪速，鱼雷击中未发生爆炸后撞向浪速，被赶上来的吉野击沉；海战爆发四个半小时后，扶桑掩护桥立与定远相撞同归于尽……
中日两国海军经此一战之后，几乎尽数凋零，残存下来的中日两国主力战舰全部都是重伤，相对于舰船的损失，人员损失则更为惨重。尤其是两支舰队的指挥官在战舰受到严重损伤逃生无望的情况下，举枪自尽者数人——北洋水师提督丁汝昌和刘步蟾在与扶桑相撞后自尽；管带程璧光在沉船时自尽；扶桑舰长大佐新井有贯在与定远相撞后自杀……在海战结束后，镇远、致远依旧结队追击半个小时，只击中了日舰八重山舰尾一炮后，因为航速不及日舰，日舰都已经驶出舰炮射程，再加上天黑周围海域多有险滩暗礁，才开始返航会合左一鱼雷艇救援同僚……
“平壤这下子真的失陷了！”谭延闿再看到最新战报后，沉痛的想到。其实他早有这种预感，日本是出了名的战争赌徒，在没有攻陷汉城的情况下，倾其所有绕道攻击平壤可能性实在是太大了，他不是没有和李鸿章建议过，可惜人们怎么也不会认为日军会真的去打平壤。