战斗越来越艰难。
由于多艘战舰沉没和逃遁，在最后阶段的海战战场上，北洋舰队坚持战斗的只有“定远”、“镇远”、“来远”和“靖远”、“经远”5舰。而日本则有“吉野”、“高千穗”、“秋津洲”、“浪速”、“松岛”、“千代田”、“岩岛”、“桥立”和“扶桑”9舰。双方军舰数量比为5：9，吨数对比为19870吨比33834吨。日本舰队力量超过北洋舰队一倍，北洋舰队处境十分困难。
海战第三阶段一开始，日本舰队以本队的“松岛”、“千代田”、“岩岛”、“桥立”、“扶桑”5舰包围“定远”、“镇远”，第一游击队4舰则进攻“来远”、“靖远”、“经远”。实际上形成了两个战场。
“定远”、“镇远”是当时世界各国海军中罕见的大型铁甲舰，装甲厚、吨位大、炮火重，利于防御。日本舰队以前惧怕这两艘铁甲舰，因此力图将其击沉。而现在他们等到了绝佳机会。
“定远”、“镇远”虽然被5艘敌舰围住猛攻，但是毫不避让，拼命抵御。“定远”舰管带刘步蟾指挥灵活，操舰频频变换路线，让敌炮不能轻易瞄准。“镇远”舰管带林泰曾、大副杨用霖指挥“镇远”舰与日舰机智周旋，始终与“定远”保持着互相支援的犄角骈列阵型。(www.xing528.com)
15时30分，“定远”、“镇远”两舰齐发30.5厘米口径巨炮，其中一弹命中“松岛”第四号炮位，堆积在甲板上的弹药爆炸，发出惊天动地的巨响。“松岛”上空白烟翻腾，海面上形成一个大火海。队长志摩清直大尉和分队长伊东少尉等28人丧命，68人负伤。“松岛”基本上失去战斗力，伊东祐亨不得不将“桥立”替代“松岛”改为旗舰。
“松岛”遭重创后，与本队其他4舰向东南退走，中国两铁甲舰尾随追击。追到相距二三海里时，日舰本队回头应战。这是黄海海战最激烈的时刻，然而，“镇远”射出148发6寸弹后，榴弹打光，只剩下25发12寸炮钢铁弹。“定远”也陷入相同困境，而且各自只有两三门重炮还能射击。不过“定远”、“镇远”配合默契，英勇奋战，终于顶住了5艘日舰的猛烈进攻，一直坚持战斗到最后。
日舰本队的“松岛”、“岩岛”、“桥立”3舰专为对付“定远”、“镇远”而设计，装备有32厘米口径巨炮，原以为可以击穿30英寸厚的装甲，然而，在“定远”、“镇远”的装甲及炮塔护甲上，被日舰炮弹击出的弹坑虽密如蜂巢，但深度却没有超过4英寸以上的。观战的英国斐利曼特尔海军中将评论说，日本舰队之所以不能全歼北洋舰队，就是因为这两艘铁甲舰的存在。
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