就在日舰右翼追击清军鱼雷艇时，其左翼向日岛发起进攻，占领南岸炮台的陆军发炮助战。防守日岛炮台的“康济”舰管带萨镇冰及其部下30名水兵顽强抵挡日军13艘战舰的攻击，直到炮台被打得稀烂不能再用，才放弃日岛炮台，撤回刘公岛。此次战斗中，日舰“扶桑”号左舷舰首中弹，伤亡7人；“筑紫”号中弹，死伤8人。日军左翼受此打击，只得停止攻击，退至阴山口。
1895年2月8日至11日，威海卫海战进入最后阶段。日军一面围困北洋舰队，坐等其内部生变；一面水陆夹攻，消耗其战斗力。2月8日，伊东令联合舰队守在口外，以防北洋舰队逃跑；同时令南岸各炮台轰击刘公岛及港口舰艇。面对敌人的攻击，丁汝昌坚持应战，双方展开激烈炮战。刘公岛上的学堂、机器厂、煤库、民房等不少被击毁，岛内百姓多人伤亡，军心涣散，局面混乱。一些士兵公开罢战，他们或挤在防波堤下，或坐在艇船上，或上“镇远”舰，要求载他们离开刘公岛。清军中的一些洋员见时势危急，也打算溜之大吉，其中北洋舰队顾问泰莱、医官麦尔克、教习瑞乃尔公开策划投降。是夜，他们先后会见了道台牛昶炳、严道洪，商量如何投降。半夜子时，泰莱和瑞乃尔两人又赶到提督衙门见丁汝昌。丁汝昌正色道：“投降之事万万不可，不过，为保全众人的生命，我当自杀。”表示了自己誓死抗战的决心。
2月9日，日本联合舰队又发动了新一轮的攻击。上午8时，第1游击队的“吉野”“高千穗”“秋津洲”号三舰及本队的“千代田”号驶至威海卫南口海面戒严；第3游击队的“天龙”“大和”“武藏”“海门”号四舰在前，“葛城”号随后，驶近刘公岛东泓炮台，猛烈炮击。10点钟，第2游击队的“扶桑”“比睿”“金刚”“高雄”号四舰前来助攻，南岸和北岸陆军对准刘公岛炮击。北岸的子母弹、南岸的开花弹纷如雨下，落在刘公岛上。刘公岛炮台奋力还击，击毁南岸鹿角炮台的大炮一门，击伤日舰两艘。丁汝昌亲登“靖远”舰，率领“平远”“镇东”“镇西”等六艘炮舰至日岛附近，与敌展开炮战。中午，“靖远”号受到来自皂埠嘴炮台发射炮弹的袭击，左舷破裂，炮弹穿过铁甲板，又穿过右舷舰首，舰头慢慢下沉，水兵纷纷跳海。丁汝昌和该舰管带副将叶祖贵圭拒不离舰，决意与舰同归于尽，最后两人被水手拥上小轮脱险。
2月10日下起了鹅毛大雪。是夜，“定远”号管带刘步蟾见局势危急，自己的战舰已经搁浅，无法为国效力，悲愤到了极点，便派部下携带250磅炸药，来到搁浅的“定远”号，把炸药放进舱内，点燃引线，一阵爆裂声，“定远”号完全沉入海底。当部下完成任务回来向刘步蟾报告时，他已吞鸦片自杀。
2月11日是日本纪元节（古代神武天皇纪念日），联合舰队各舰都进行遥拜仪式。仪式毕，伊东下达最后的攻击命令。上午9时，第3游击队的“葛城”“大和”“武藏”“天龙”号四舰，从南口驶至港内，用排炮轮流轰击刘公岛，南岸的陆军也开炮助战，火力之猛，前所未见。然而清军没有屈服，拼死应战。日舰“葛城”舰首中弹，死伤六七人；“天龙”副舰长中野信阳被弹击中而死；“大和”舰桥的机关炮被打坏。伊东闻报，又令第3游击队支援，重新掀起一场激战。至下午2时，刘公岛东泓炮台被南岸鹿角嘴炮台的大炮击中，两尊伯虏克大炮毁坏，尸横遍地，守炮台清军不得不撤出，港内各舰也暂避港西。刘公岛危在旦夕。
就在这危难时刻，11日晚上，丁汝昌接到烟台刘含芳的信函，以为援兵有了指望，将信拆开一看，上面寥寥数字：“顷接李大臣电：全力冲出！”丁汝昌看罢，长叹一声，倒在椅上，良久才恢复过来。正在他低头沉思之际，屋外一片喧哗，抬头一看，只见许多水陆兵勇跪在阶前哀求活命。丁汝昌心如刀绞，眼下只有一条路：以死殉国。他毅然走出屋外，对众人说：“诸位的请求我知道了，明晨一定给予圆满答复。”众人深知丁提督说话一向算数，便分别散去。丁汝昌见众人离开了提督衙门，便回到屋里，见记名总兵张文宣在来回走动，满脸悲愤。张文宣早已打算以身殉国，屡屡告诫部下将士说：“你们当竭力死守，至力竭不能守时，我终不会令你们独死，我独生。我当先死。以免你们之死。”因此，张文宣便对丁汝昌说：“劫数难逃，我们就这样决定吧。”丁汝昌听了此话，紧紧握住张文宣的手说：“好！一言为定。”说罢，他从怀中取出早就准备好的一包鸦片，一分为二，各自仰面吞服。不久毒性发作，先后成仁，时为1895年2月12日上午7时。“镇远”舰管带杨用霖，因士兵拒战赶到提督衙门报告，方发现丁、张两人自杀身亡，悲痛万分，两天后亦用手枪自杀。
对丁汝昌之死，北洋舰队顾问泰莱评价说：“我深为不幸之老提督悲，我视其自杀，非逃避困难之怯弱行为，乃牺牲一己之生命，以保全他人之生命，彼实为一勇夫。就此点论，其高出于此间其他中国人，不可以道里计。”
1895年2月12日上午8时，是北洋水师最耻辱的时刻。此刻，伊东在旗舰“松岛”号上正准备下令各舰出击，一艘插着白旗的北洋兵舰“镇北”号迎面开来，驶至距“松岛”号1000米处停下。片刻，侍从来向伊东报告：“中国‘广丙’号舰长程璧光携来降书欲见司令。”伊东说：“那就将他带来。”一会儿，程璧光来了，向伊东深深鞠了一躬，厚着脸皮恭恭敬敬地双手将降书呈上。伊东心想，这一定是丁汝昌的复书，半月前曾托英国兵舰带给丁汝昌的劝降书起了作用。伊东展开降书一看，果然如此。伊东哪里知道，这是一封假丁汝昌之名的投降书。事实确是如此，那天早晨，丁汝昌服毒自杀后，一些洋员与诸将集中在牛昶炳家中议降，公推“镇远”管带杨用霖出面主持投降事宜，被杨严词拒绝。后来洋员浩威倡议，借丁汝昌的名义投降，并亲自起草降书，拟就后译成汉文，由牛昶炳署以北洋海军提督之印。程璧光呈送给伊东的就是这封假丁汝昌之名的投降书。牛昶炳等人的行径极为卑鄙无耻，使丁汝昌蒙受冤屈十余年，至宣统二年（1910）才得到昭雪。
伊东看了降书后，很是高兴，以为它真的是丁汝昌所写，便召集部下开会讨论纳降问题。诸将主张除接收军舰炮台外，其他人员一律加以逮捕。伊东反对道：“丁提督乃清国海军名将，自居北洋水师提督职位以来，辛苦经营，十年如一日，而今日之战术又有所可观，其绝非可欺侮的。”他写了复书，交程璧光带去，同时赠丁汝昌香槟酒、威士忌酒和葡萄酒各一打及广岛产的串柿，以示厚意。是日下午3时，程璧光携带复书及礼物离开日舰“松岛”号，返回刘公岛。
2月13日上午9时左右，程璧光携带假冒的“丁提督回书”，至“松岛”舰，伊东接见。程璧光悄然说：“丁提督昨夜作此书付诸使者后，服药自杀，‘定远’舰长刘步蟾和刘公岛陆军指挥官张文宣也相继自杀。”说罢，将信递给伊东。伊东闻丁汝昌自杀身亡，很觉惋惜，静默须臾，然后展信阅读，很觉满意，便写一复书，由程璧光带回。
13日下午5点半，刘公岛道台牛昶炳在程璧光陪同下来到日本旗舰“松岛”号，代表中国陆海军和伊东佑亨就清军投降事宜进行会谈。牛昶炳一概答应日方要求。会谈结束后，中日双方签订了《威海降约》。其主要内容是：中西水陆文武官员立誓不再与闻战事；刘公岛士兵由日兵护送遣归；交出一切器械、兵舰、炮台；于16日上午9时以前，各舰中西官员一律迁出，船上水手、水师从15日开始遣返；“康济”舰不在收降之例，以供北洋海军及陆路各官乘坐去烟台。
2月17日上午8时30分，日本联合舰队开入威海卫，旗舰“松岛”鸣炮21响，乐队奏《君之代》，一队队日军分别进驻各炮台。中国的黄龙旗被降下，太阳旗在各处升起。刘公岛、日岛的炮台及水师、鱼雷队各营和残余的“镇远”“济远”“平远”“广丙”“镇边”“镇中”“镇北”“镇南”“镇东”“镇西”号10舰全归日本所有，编入联合舰队。
当天下午4时，“康济”舰升火开航，它载着海军提督丁汝昌、海军右翼总兵刘步蟾、护理海军左翼总兵杨用霖、尽先都司广东大鹏协右营守备黄祖莲、道员戴宗骞、“济远”号大副沈寿昌等灵柩（记名总兵张文宣的灵柩应家属要求由民船运送）及陆海将兵、洋员约1000人，在汽笛呜呜的哀鸣声中，冒着风雪，凄然离开威海卫港，向烟台驶去。至此，威海卫完全陷落，举世闻名的北洋舰队彻底覆灭。
由于清政府的消极抗战，清军在各个战场上先后战败，溃不成军。与此形成鲜明对照的是，广大人民群众除积极支援前线作战外，还自动拿起武器，杀向战场，进行了一系列英勇顽强、可歌可泣的抗日武装斗争。
当日本第二军由花园口登陆进犯辽东半岛时，辽东人民立即开展各种形式的杀敌活动。抗日英雄高武，曾组织碧流河一带800余户农民，以锄头、铁锹等为武器，袭击敌人军营，杀死不少日寇，最后和部分农民在战斗中光荣牺牲。金州青年壮士陈宝财，串联45人，组成“红枪帮”进行抗日。当日军第15联队侵袭亮甲店、陈家店，转向刘家店北面高地时，“红枪帮”埋伏于凤凰山下落凤沟内，乘敌不备，把日军打得狼狈不堪。金州城沦陷的次日，日军到处奸淫烧杀。城内西街曲姓院内，男人皆已随徐邦道部转战他处，仅剩下姑嫂5人及5个儿童。日军闯入其家，5名妇女用菜刀杀敌数人，然后同5个孩子一起投井自尽。金州城南二道沟有个叫阎士开的塾师，日寇以金钱利诱其充当向导，他严词拒绝，并痛斥敌人的滔天罪行。日寇以死威胁，他慷慨写道：“宁做中华的断头尸，不做倭寇的屈膝人！枪毙刀杀，任凭你们。”日本侵略者无奈，竟将他开膛残杀。
山东半岛人民同样给了日本侵略者以应有的惩罚。在威海，长峰村人民自动组织起来，以木棍、农具为武器，多次和进村抢劫的敌人进行搏斗。卫家滩村的人民也组织起来夺取敌人武器，打得日寇不敢久驻一地。在人民群众的有力支援下，清军终于在1895年2月底至3月初接连收复了宁海（今牟平）、文登、荣成等地，使强占威海之敌甚感孤立。
东北和山东等地人民的英勇抗战表明，日本侵略者虽然战胜了清朝统治者，却始终没有使中国人民屈服。