面對新日本聯合艦隊的進攻，北洋水師苦苦的支撐。從上午10時，一直到激烈的炮戰到下午的3時，北洋水師各艦輪番的在灣内的出海口抵擋，幾乎各艦都受到重創。如果再持續下去，劉步蟾隻得下令鑿沉一些艦支，堵住入海口。
而從上午新日本聯合艦隊與北洋水師開戰，南洋聯合艦隊即得知消息。但李德風一直不讓南洋聯合艦隊出戰，他派人觀察着兩支艦隊的狀況，他要等在北洋水師與新日本聯合艦精疲力竭時，一舉重擊新日本聯合艦隊。
新日本聯合艦隊和北洋水師的戰狀非常激烈，北洋水師的抵抗力不僅出乎東鄉平八郎的預料，也大大超過李德風的預期。李德風出戰的時間一再的推遲，直到下午2時，他下令南洋聯合艦隊分成兩部，一部台灣水師從南突襲，一部南洋水師從北突襲，兩路同時夾擊新日本聯合艦隊。
南洋聯合艦隊全速的從南北兩個方向駛向濟洲島海域的戰場。3時20分，北洋水師已無軍艦可以在海上巡遊，抵擋日本的戰艦了，劉步蟾準備讓緻遠艦、平遠艦和濟遠艦自沉，堵住入海口。這個時候，新日本聯合艦隊後方卻一片混亂，各艦紛紛想調頭，不再顧及北洋水師了。
但此時已爲時已晚，日本的軍艦圍攻北洋水師多時，損失也很大，各艦也是輪番上陣，軍艦都集中到了這片海域。南洋聯合艦隊的南北夾擊，使新日本聯合艦隊被夾在這片小海域中，而南洋聯合艦隊擺好陣形，新日本聯合艦隊隻能想辦法成兩列沖擊，但面積太小，極受魚雷的攻擊。
3時26分，北路的南洋水師都把戰艦橫向，所有的炮口對準日本的軍艦，率先向新日本聯合艦隊開炮。
此時，受到北洋水師重創的紀伊号正好停在最後，它在艱難的進行轉向，想調過頭來。但南洋水師已不給它機會了，南洋的兩艘裝甲艦的巨炮都對準了紀伊号。12門210mm口徑的巨炮不停的轟擊紀伊号，而紀伊号正在轉向，隻能用2門90mm尾炮偶爾的反擊。
南洋聯合艦隊在此地駐紮多次，早就标好的炮尺，隻用了七分鍾紀伊就受了十一枚炮彈重擊，側舷被打穿了兩個洞，指揮塔被擊毀，動力被擊中一發。紀伊号幾乎失去動力，船身也開始傾斜，此時等待紀伊号就是緩慢的下沉。
而同時，新日本聯合艦隊的軍艦與南洋聯合艦隊的戰艦也在撕殺。此時，新日本聯合艦隊訓練不足，明顯表現出來。軍艦的轉向中，各艦自行其事，有的向左轉，有的向右轉，海域又太小，各艦之間險象環生，甚至兩艘兩千噸級驅逐艦蹭在一起，一艘軍艦的側舷凹了一大片，另一艘直接撞出一個大洞。
日本軍艦的混亂使其反擊的力度更弱。南洋聯合艦隊不斷的轟擊日本軍艦，幾乎每一分鍾都有兩到三發擊中日本軍艦。而日本軍艦擊中南洋聯合艦隊的炮彈不到被擊中的十分之二。此時，在灣内北洋水師見援軍到來，士氣大振，劉步蟾下令北洋水師不管戰艦受損多大，隻要能動，一律開到出海口向新日本聯合艦隊開炮。
新日本聯合艦隊被三面夾攻，各艦遭到沉重打擊，東鄉平八郎見此景知道自己是中了清國的計了。但此時已沒有時間讓他去想其它的，他必須想辦法，能讓新日本聯合艦隊的軍艦多跑出一艘是一艘。但艦隊這時根本就沒有隊形，而且南洋聯合艦隊的實力非常強大，靠這種好無章法的亂沖恐怕損失将無法估量。
東鄉隻好下令先讓艦隊整好隊形，以長門号和武藏号爲隊首，各艦以兩列隊形沖向實力稍弱的北部南洋水師。
東鄉的願望是非常好，但是事實上，要在南洋聯合艦隊和北洋水師三面的轟擊下完成隊形是非常困難的。
南洋聯合艦隊有着很好的訓練，對此地又非常熟悉，其炮擊的命中率爲百分之八。新日本聯合艦隊在整隊的過程中，不斷的遭在南洋聯合艦隊擊中，一艘四千噸級的巡洋艦下沉，一艘三千噸級驅逐艦失去動力，一艘兩千噸級驅逐下沉，一艘嚴重傾斜。而北洋水師也有戰果，日本的一艘墊後四千噸級巡洋艦被直接擊船的尾部的蒸汽機，動力全失。
待在新日本聯合艦隊整好隊形，這個時候，日本已損失六艘軍艦，而其它的多少都有被擊中。
東鄉平八郎已顧不得其它的了，他下令新日本聯合艦隊全速的沖向北部的南洋水師。南洋水師見新日本聯合艦隊沖來，拼命的開炮，台灣水師也逼近日本的軍艦。
新日本聯合艦隊的沖到離南洋水師隻有五海裏了，南洋水師司令李尚高見如果再不讓開，恐怕就要撞上了。他隻好下令南洋水師讓開海道，從側面炮擊日本軍艦。
南洋水師側向東南，再以橫身與日本軍艦對轟，雙方的距離很近，南洋水師的巨炮都對準左面的武藏号不停轟擊。武藏号本已傷痕累累，此時又被接連的擊中七八發，船身被撕開了幾個大口子，海水湧水船艙，船的速度一下就慢了下來。
而緊跟新日本聯合艦隊其後台灣水師呈四分之一弧形追擊，新日本聯合艦隊後部的軍艦遭到的攻擊更猛。
到下午5時10分，新日本聯合艦隊終于沖出南洋聯合艦隊的包圍。東鄉平八郎回頭一看，聯合艦隊的軍艦隻剩十四艘，有十一艘或沉沒，或失去動力浮遊在海面，等待它們也隻是自沉或被俘。
新日本聯合艦隊雖然沖出了南洋聯合艦隊的包圍但是南洋聯合艦隊還跟随其後追擊，新日本聯合艦隊還不安全。此時，天色暗了下來，東鄉平八郎希望在天黑之後南洋聯合艦能停止追擊。
但李德風和南洋聯合艦隊可不想放過新日本聯合艦隊，現在新日本聯合艦隊雖然沖出包圍圈，但是日本的各軍艦受損很大，此時要能追上一艘就能輕易擊沉一艘。
天色漸漸黑了，但今晚的月光還是挺明亮的，而且軍艦上的燈光也标出其位置。
南洋聯合艦隊對夜戰并不陌生，其訓練中就有夜戰一科目。東鄉平八郎見南洋聯合艦在夜晚還不停止追擊，而新日本聯合艦隊連正常的訓練科目都沒完成，對夜戰根本就沒訓練過。對于如何打夜戰，各艦的炮手根本也從做起。他隻能下令讓各艦全速的開向日本本土。
新日本聯合艦隊的軍艦雖然新，船速快，但南洋聯合艦隊的船速也不慢，而且日本軍艦的受到創傷，多少速度有所下降。到晚上7時，南洋聯合艦隊慢慢的趕上新日本聯合艦隊的後衛，一場海戰即将再起。