當時海軍對抗取勝有兩種方式，或用大口徑慢速重炮火炮擊中對方鍋爐房、彈藥庫等要害部位，使之喪失戰鬥力；或使用大量中小口徑速射火炮，以急射火力大量殺傷人員和摧毀火炮器具，使對方失去戰鬥力。海戰之後，軍史專家的主流觀點是，黃海海戰是速射火力戰勝慢速重炮火力的經典之戰。由於北洋艦隊採用的是前一種取勝之道，而日本聯合艦隊採用的則是後一種取勝之道。加上北洋艦隊各艦蒸汽發動機馬力不足，養護情況不好，所以艦隊平均航速約10.2節，而日本艦隊主力艦較為新式，採用方便機動的縱隊更適合發揮火力，速度也較快。
戰鬥開始不久，日本艦隊改變了戰法，集中火力攻打北洋艦隊旗艦號「定遠」號，「定遠」主桅中彈，向各艦隻傳令的信號索具被炮火所毀，在飛橋上督戰的丁汝昌身負重傷。戰鬥一開始，北洋艦隊就失去了指揮，艦隊無法集火攻擊一個目標，陷入各自為戰的混亂狀態，
而日軍編隊則緊湊靈活。日本艦隊第一遊擊隊4艦利用速度優勢繞攻北洋艦隊右翼「超勇」、「揚威」，二艦相繼被擊中起火，退出戰鬥。接著「超勇」沉沒。正午時分，日本艦隊繞至北洋艦隊背後，與第一遊擊隊形成夾擊之勢。北洋艦隊腹背受敵，隊形更加混亂。「吉野」號將「致遠」、「經遠」用魚雷擊沉。「致遠」沉沒後，「濟遠」管帶方伯謙、「廣甲」管帶吳敬榮，臨陣脫逃。濟遠艦在逃跑中撞上了由於大火導致舵機失靈的揚威艦，導致揚威艦下沉擱淺。!O2|7[%S6a*o;G
「定遠」、「鎮遠」兩艘德制鐵甲艦裝甲較厚，火力猛，全艦鋼面鐵甲，裝甲共重一千四百六十一噸；水密隔艙多達兩百多個。雖中彈甚多，幾次起火，依然能抵抗日本艦隊集體圍攻。
據鎮遠艦參戰人員美國人馬吉芬回憶，日軍本隊將定遠、鎮遠包圍，「進行射擊，這是當天最猛烈的射擊」。,d9W3b/g'^:R%p但日軍指揮官發現，雖然長時間的圍攻炮擊，但似乎永遠沒有將定遠和鎮遠擊沉的可能。不久，「靖遠」、「來遠」搶修完畢，重新投入戰鬥。日本艦隊見北洋艦隊重新集隊，便撤出戰場。北洋艦隊稍事追擊，也收隊返回旅順。
歷時5個多小時的黃海海戰結束時，北洋艦隊損失「致遠」、「經遠」、「超勇」、「揚威」、「廣甲」5艘軍艦，死傷官兵千餘人；日本艦隊「松島」、「吉野」、「比睿」、「赤城」、「西京丸」5艦受重創，死傷官兵600餘人。由於沒有擊沉日本一艘軍艦，這場海戰北洋艦隊在戰術上完全失敗。在甲午戰爭中，北洋艦隊的作戰失敗構成了中國近代史厄運鏈上最重要的一環。
黃海海戰結束後，北洋艦隊開回旅順修船，由於艦隊損傷數量較多，修理廠工程人員大多潰逃，許多國外訂購的艦隻維修困難，加上遼東半島迅速失守，北洋艦隊只能選擇退守劉公島，而當地又沒船塢進行維修，只能依靠海岸炮台防衛，苦撐待變。待後方陸地被包抄，補給線被切斷，海岸炮台被日軍佔領用來轟擊北洋艦隊，最終清朝大勢已去，輸掉了整個甲午戰爭。
早在黃海海戰之前，日本就對戰爭的結果準備了三種預案：如果海戰失利，日本退守本土，如果獲勝，則在中國登陸，打平的話，就在朝鮮半島和中國拉鋸。
李鴻章曾作出以下的總結：「以北洋一隅之力，搏倭人全國之師」。清朝的北洋、南洋、福建、廣東四支水師分散發展，自成體系，始終未形成統一指揮。北洋水師以中央海軍自居，另外三家本來不服，有事也樂得作壁上觀。
英國學者理查德·懷特認為，清政府早期海軍發展有三個重要特點：中國海軍不但用於海岸防禦，更主要的是用於鎮壓國內太平天國的叛亂；政府懼怕海軍力量集中，而實行幾支互相制約的艦隊；政府傾向購買而不是自製研發頂級武器裝備。中國海軍大量購買外國武器裝備，這與中國的科技實力有限不無關係，但另一方面也表明，中國投資在海軍武器裝備上的資金不足。清政府向英國、德國等西歐國家購買了大量的艦船和武器彈藥，但在關鍵的海戰中仍然不堪一擊，北洋水師全軍覆沒。甲午戰爭時「鎮遠」、「定遠」是當時全球威力強大的鐵甲巡洋艦，但是清朝的人員配置葬送了艦隊的前程。在艦隊需要維修時，修理廠被佔領，以至於艦船無法及時修復投身戰鬥。
在甲午戰爭期間，各地漢軍軍餉都是剋扣嚴重。清朝學者王懿榮曾指出，清廷「哨一味剋扣」士兵的軍餉，致使「兵之所過毒甚於賊」。這種士兵一旦遇有戰事，便望風而逃。「海上諸軍，皆湊集遠東敗卒，鞏綏逃余而成」。清廷費時十六年、耗資千萬經營的旅順港，當時被稱為「遠東第一軍港」。港口周圍部署有20多座炮台，150多門火炮。李鴻章戰前稱：「有充足的彈藥、軍糧，有優良的火炮和北洋海軍的聲援，旅順口可以堅守三年！」然而，擁有優勢裝備、佔據地利之便的一萬餘清軍兵力雖厚、武器雖精，但諸軍互不聯絡，毫無固守之心，各部相互觀望坐視，只抵抗了一天就潰散。最終，被譽為洋務運動中的一顆「璀璨明珠」的北洋水師全軍覆滅，北洋海軍提督丁汝昌服藥自殺，也使他的部下免除了處分，1910年4月25日，朝廷方以「力竭捐軀、情節可憐」，開復了丁汝昌的原官原銜，甲午戰爭以清朝失敗簽訂《馬關條約》結束。[13]
李鴻章從1874年討論南北洋海防，到1895年北洋海軍覆滅，前後歷時21年。這支艦隊曾無比顯赫，然而好景不長，很快海軍全軍覆滅。李鴻章為此深受打擊，李鴻章在致朋友的書信裡說：「十年以來，文娛武嬉，釀成此變。平日講求武備，輒以鋪張糜費為疑，至以購械購船懸為厲禁。一旦有事，明知兵力不敵而淆於群哄，輕於一擲，遂至一發不可復收。……知我罪我，付之千載。」李鴻章又提到：「我辦了一輩子的事，練兵也，海軍也，都是紙糊的老虎，何嘗能實在放手辦理?不過勉強塗飾，虛有其表，不揭破尤可敷衍一時。如一間破屋，由裱糊匠東補西貼，居然成一淨室。雖明知紙片糊襟，然究竟決不定裡面是何等材料。即有小小風雨，打成幾個窟窿，隨時補葺，亦可支吾對付。乃必欲爽手扯破，又未預備何種修葺材料，何種改造方式，自然真相敗露不可收拾。」
從短期看，甲午戰爭更類似一場零和博弈，美國著名政治家塞繆爾·亨廷頓在《文明的衝突》一書中認為，自19世紀中期的第一次鴉片戰爭至19世紀結束，中國自產自銷式的經濟結構與其政治輻射力被全面瓦解，過去長期服從於「天朝」等級制度下的各屬國開始分崩離析，這是該地區前所未有的政治文化格局。甲午戰爭中國簽署《馬關條約》賠償日本白銀2.3億兩，這筆巨款相當於日本當時7年財政收入的總和。而之後的《辛丑條約》竟然要賠付西方各國計本息白銀9.8億兩，中國人十年裡面不吃不喝也賠償不完。
對於日本來說，甲午一役使日本一舉實現了「大陸政策」的計劃，清朝台灣、遼東半島以及朝鮮都被佔領。戰爭歷時九個月，清朝損失兵力高達六萬人，被俘3000多人，丟失了朝鮮這個重要的戰略重地，割讓台灣給日本，並使得日本軍事勢力滲透入遼東一帶。而2.3億兩的戰爭賠款則相當於當時日本4年的財政收入。這筆意外之財，讓日本舉國上下一遍歡騰，進入招兵買馬，擴軍備戰的狀態，日本外務大臣井上馨曾指出：「這筆賠款以前，日本的財政官廳從未談到數萬萬元的大數位。國庫收入僅達8000萬日元。因此3.5億日元巨款流入國內，在朝在野的人，都認為是無盡的財富。各方面都因此實行大大的擴張。」