次日，丁汝昌只得下令将北岸炮台炸毁。这样，“威海之防尽堕”，威海卫城陷落，北洋海军被封锁在港内，形势万分危急。此时，丁汝昌断然拒绝日军的诱降，决心血战到底。初九，日本海军大举出动，猛烈进攻威海港前沿天然门户刘公岛和日岛。日本陆军也将原南岸炮台的7门大炮修复，从海岸射击北洋水师，形成“炮资敌，我杀我”的惨痛局面。北洋官兵及守岛陆军奋起发炮还击，击中筑紫、葛城等日舰。次日深夜，日军鱼雷艇进港偷袭，北洋旗舰定远被击伤搁浅。十二日，日军故伎重演，北洋海军来远、靖远、威远、宝筏4舰又被鱼雷击沉，实力大损。十三日，日军发动总攻，清军士兵奋勇迎战。双方炮火互射，硝烟蔽海，战斗甚为激烈。松岛、桥立、千代田、秋津洲、浪速、扶桑等日舰均被击中，士兵死伤众多。

　　清军日岛炮台弹药库也被敌炮击中爆炸，守军被迫撤至刘公岛。正当战斗激烈进行时，北洋鱼雷艇管带王平贪生怕死，率10余艘鱼雷艇和2艘汽船乘机逃跑，被日舰追及，大部分鱼雷艇被击沉，北洋海军损失惨重。十四日夜，日舰又破坏了封锁威海港东口的铁链，打开了港口门户。清军极其盼望援军赶来，但希望渺茫，士气开始低落。这时，在北洋舰队服务的外国船员英人泰莱、克尔克(Kirk)、德人瑞乃尔等散布失败情绪，威逼丁汝昌向日军投降，遭到丁严辞拒绝。为避免战舰落入敌手，丁汝昌下令炸沉各船。十六日，管带刘步蟾在定远被炸沉后自杀殉国，其余各舰将领害怕以徒手降敌“取怒倭人”，竟拒绝执行命令。

　　十七日，北洋守军弹药将尽，势不能支。当夜，丁汝昌召集部下，提出冒险突围，多数将领表示反对，纷纷散去。丁汝昌见大势已去，决心以身殉国，与刘公岛北洋护军统领张文宣(?―1895)、镇远管带杨用霖(1854―1895)先后自杀。第二天，外国洋员浩威勾结威海卫水陆营务处候选道牛昶晒等人投降。二十日，牛昶晒代表清军在投降条约上签字，刘公岛沦陷。

　　二十三日上午10时30分，日本联合舰队摆出征服者的架式，占领了威海港，举行捕获仪式。北洋海军镇远、济远、平远、广丙、镇东、镇西、镇南、镇北、镇中、镇边等10艘舰船全部作为日军战利品，被插上日本国旗。北洋练习舰康济号被解除武装，交还中国。下午4时，康济载运着丁汝昌、刘步蟾、杨用霖、张文宣等人的灵柩，在潇潇细雨中凄然离港，驶向烟台，汽笛哀鸣，威海卫之战至此结束，清政府苦心经营多年的北洋水师全军覆没。