当时海军对抗取胜有两种方式，或用大口径慢速重炮火炮击中对方锅炉房、弹药库等要害部位，使之丧失战斗力；或使用大量中小口径速射火炮，以急射火力大量杀伤人员和摧毁火炮器具，使对方失去战斗力。海战之后，军史专家的主流观点是，黄海海战是速射火力战胜慢速重炮火力的经典之战。由于北洋舰队采用的是前一种取胜之道，而日本联合舰队采用的则是后一种取胜之道。加上北洋舰队各舰蒸汽发动机马力不足，养护情况不好，所以舰队平均航速约10.2节，而日本舰队主力舰较为新式，采用方便机动的纵队更适合发挥火力，速度也较快。
战斗开始不久，日本舰队改变了战法，集中火力攻打北洋舰队旗舰号“定远”号，“定远”主桅中弹，向各舰只传令的信号索具被炮火所毁，在飞桥上督战的丁汝昌身负重伤。战斗一开始，北洋舰队就失去了指挥，舰队无法集火攻击一个目标，陷入各自为战的混乱状态，
而日军编队则紧凑灵活。日本舰队第一游击队4舰利用速度优势绕攻北洋舰队右翼“超勇”、“扬威”，二舰相继被击中起火，退出战斗。接着“超勇”沉没。正午时分，日本舰队绕至北洋舰队背后，与第一游击队形成夹击之势。北洋舰队腹背受敌，队形更加混乱。“吉野”号将“致远”、“经远”用鱼雷击沉。“致远”沉没后，“济远”管带方伯谦、“广甲”管带吴敬荣，临阵脱逃。济远舰在逃跑中撞上了由于大火导致舵机失灵的扬威舰，导致扬威舰下沉搁浅。! O2 |7 [% S6 a* o; G
“定远”、“镇远”两艘德制铁甲舰装甲较厚，火力猛，全舰钢面铁甲，装甲共重一千四百六十一吨；水密隔舱多达两百多个。虽中弹甚多，几次起火，依然能抵抗日本舰队集体围攻。
据镇远舰参战人员美国人马吉芬回忆，日军本队将定远、镇远包围，“进行射击，这是当天最猛烈的射击”。, d9 W3 b/ g' ^: R% p但日军指挥官发现，虽然长时间的围攻炮击，但似乎永远没有将定远和镇远击沉的可能。不久，“靖远”、“来远”抢修完毕，重新投入战斗。日本舰队见北洋舰队重新集队，便撤出战场。北洋舰队稍事追击，也收队返回旅顺。
历时5个多小时的黄海海战结束时，北洋舰队损失“致远”、“经远”、“超勇”、“扬威”、“广甲”5艘军舰，死伤官兵千余人；日本舰队“松岛”、“吉野”、“比睿”、“赤城”、“西京丸”5舰受重创，死伤官兵600余人。由于没有击沉日本一艘军舰，这场海战北洋舰队在战术上完全失败。在甲午战争中，北洋舰队的作战失败构成了中国近代史厄运链上最重要的一环。
黄海海战结束后，北洋舰队开回旅顺修船，由于舰队损伤数量较多，修理厂工程人员大多溃逃，许多国外订购的舰只维修困难，加上辽东半岛迅速失守，北洋舰队只能选择退守刘公岛，而当地又没船坞进行维修，只能依靠海岸炮台防卫，苦撑待变。待后方陆地被包抄，补给线被切断，海岸炮台被日军占领用来轰击北洋舰队，最终清朝大势已去，输掉了整个甲午战争。
早在黄海海战之前，日本就对战争的结果准备了三种预案：如果海战失利，日本退守本土，如果获胜，则在中国登陆，打平的话，就在朝鲜半岛和中国拉锯。
李鸿章曾作出以下的总结：“以北洋一隅之力，搏倭人全国之师”。清朝的北洋、南洋、福建、广东四支水师分散发展，自成体系，始终未形成统一指挥。北洋水师以中央海军自居，另外三家本来不服，有事也乐得作壁上观。
英国学者理查德·怀特认为，清政府早期海军发展有三个重要特点：中国海军不但用于海岸防御，更主要的是用于镇压国内太平天国的叛乱；政府惧怕海军力量集中，而实行几支互相制约的舰队；政府倾向购买而不是自制研发顶级武器装备。中国海军大量购买外国武器装备，这与中国的科技实力有限不无关系，但另一方面也表明，中国投资在海军武器装备上的资金不足。清政府向英国、德国等西欧国家购买了大量的舰船和武器弹药，但在关键的海战中仍然不堪一击，北洋水师全军覆没。甲午战争时“镇远”、“定远”是当时全球威力强大的铁甲巡洋舰，但是清朝的人员配置葬送了舰队的前程。在舰队需要维修时，修理厂被占领，以至于舰船无法及时修复投身战斗。
在甲午战争期间，各地汉军军饷都是克扣严重。清朝学者王懿荣曾指出，清廷“哨一味剋扣”士兵的军饷，致使“兵之所过毒甚于贼”。这种士兵一旦遇有战事，便望风而逃。“海上诸军，皆凑集远东败卒，巩綏逃余而成”。清廷费时十六年、耗资千万经营的旅顺港，当时被称为“远东第一军港”。港口周围部署有20多座炮台，150多门火炮。李鸿章战前称：“有充足的弹药、军粮，有优良的火炮和北洋海军的声援，旅顺口可以坚守三年！”然而，拥有优势装备、占据地利之便的一万余清军兵力虽厚、武器虽精，但诸军互不联络，毫无固守之心，各部相互观望坐视，只抵抗了一天就溃散。最终，被誉为洋务运动中的一颗“璀璨明珠”的北洋水师全军覆灭，北洋海军提督丁汝昌服药自杀，也使他的部下免除了处分，1910年4月25日，朝廷方以“力竭捐躯、情节可怜”，开复了丁汝昌的原官原衔，甲午战争以清朝失败签订《马关条约》结束。[13]
李鸿章从1874年讨论南北洋海防，到1895年北洋海军覆灭，前后历时21年。这支舰队曾无比显赫，然而好景不长，很快海军全军覆灭。李鸿章为此深受打击，李鸿章在致朋友的书信里说：“十年以来，文娱武嬉，酿成此变。平日讲求武备，辄以铺张糜费为疑，至以购械购船悬为厉禁。一旦有事，明知兵力不敌而淆于群哄，轻于一掷，遂至一发不可复收。……知我罪我，付之千载。”李鸿章又提到：“我办了一辈子的事，练兵也，海军也，都是纸糊的老虎，何尝能实在放手办理?不过勉强涂饰，虚有其表，不揭破尤可敷衍一时。如一间破屋，由裱糊匠东补西贴，居然成一净室。虽明知纸片糊襟，然究竟决不定里面是何等材料。即有小小风雨，打成几个窟窿，随时补葺，亦可支吾对付。乃必欲爽手扯破，又未预备何种修葺材料，何种改造方式，自然真相败露不可收拾。”
从短期看，甲午战争更类似一场零和博弈，美国著名政治家塞缪尔·亨廷顿在《文明的冲突》一书中认为，自19世纪中期的第一次鸦片战争至19世纪结束，中国自产自销式的经济结构与其政治辐射力被全面瓦解，过去长期服从于“天朝”等级制度下的各属国开始分崩离析，这是该地区前所未有的政治文化格局。甲午战争中国签署《马关条约》赔偿日本白银2.3亿两，这笔巨款相当于日本当时7年财政收入的总和。而之后的《辛丑条约》竟然要赔付西方各国计本息白银9.8亿两，中国人十年里面不吃不喝也赔偿不完。
对于日本来说，甲午一役使日本一举实现了“大陆政策”的计划，清朝台湾、辽东半岛以及朝鲜都被占领。战争历时九个月，清朝损失兵力高达六万人，被俘3000多人，丢失了朝鲜这个重要的战略重地，割让台湾给日本，并使得日本军事势力渗透入辽东一带。而2.3亿两的战争赔款则相当于当时日本4年的财政收入。这笔意外之财，让日本举国上下一遍欢腾，进入招兵买马，扩军备战的状态，日本外务大臣井上馨曾指出：“这笔赔款以前，日本的财政官厅从未谈到数万万元的大数位。国库收入仅达8000万日元。因此3.5亿日元巨款流入国内，在朝在野的人，都认为是无尽的财富。各方面都因此实行大大的扩张。”