隨著李默的離開，致遠號終於在猛烈爆炸聲中沉沒了，前方的戰局也終於到了最關鍵的時刻。
15:04分，北洋水師旗艦定遠中彈起火。
15:20分，曰本第一遊擊艦隊前鋒四艘巡洋艦圍住了致遠號，導致致遠號沉沒，鄧世昌管帶犧牲。
15:25分，濟遠號、廣甲號在致遠沉沒後，突然轉向，掉頭駛離了作戰區域，同時帶動了整個北洋艦隊陣型大亂。
15:30分，聯合艦隊旗艦鬆島被擊中，並引起堆積在甲板上的彈藥爆炸。
15:45分，定遠遭吉野號、浪速號多艦圍攻，艦體多處中彈，無力再指揮戰鬥。
16:10分，北洋水師靖遠號，來遠號受傷，退出戰鬥，駛往大鹿島。曰本旗艦鬆島號也同時發出了“各艦所以運動”的信號，代表著北洋水師徹底進入了各自為戰的階段。
可伊東亨佑沒想到，各自為戰的北洋各艦被逼到絕路上後，反而越戰越勇，尤其是鎮遠號，在林增泰的帶領下，不僅擋住了曰艦對定遠號的大部分炮火，協助定遠號撲滅大火，並主動向敵發起猛攻。
在其帶領下，鎮遠、定遠兩艦的305毫米巨炮不斷命中曰艦本陣，頓時打得本陣數艘軍艦或火光大起，迫使嚴島號一度退出戰鬥。
17:05分，靖遠號、來遠號經過搶修，恢複了部分戰鬥力，隨之再次投入戰爭，靖遠號看到定遠號再也無力指揮戰鬥，無奈下升起了指揮旗，並開始收攏各艦。
此時一直在外圍遊戰的平遠、廣丙號等六艘小型魚雷艦，在看到旗艦信號後，紛紛圍攏過來。將戰局重新穩固下來。
17:30分，經遠號沉沒，但曰本艦隊也付出了不小的代價，雖號稱未沉一艦，但浪速號大破喪失戰鬥力，旗艦鬆島號、吉野號、比睿號三艦中破，赤城號，西京丸號小破，其餘各艦也都是傷痕累累。
尤其是定遠、鎮遠兩艘巨艦，給曰本海軍各艦留下的影響實在是太深了，麵對四五艘軍艦的圍攻，又是偷襲方，而且定遠還在開始不久就喪失了前主炮的情況下，依然沒能打沉對方，隨著兩發炮彈擊中了鬆島號四號炮位，引發了大火並導致甲板傾斜，險些陷入和北洋水師一樣的指揮混亂，伊東亨佑也不得不命令鬆島號暫時脫離戰鬥。