提要：北洋海军在日军的夹攻之下逐渐不支，“致远”舰沉没后，只有“定远”、“镇远”二舰仍留在主战场上与本队周旋，其他巡洋舰纷纷向海岸方向撤逃。日军本队留在主战场上继续对“定远”、“镇远”发动猛烈攻击，但最终仍无法将此二舰击沉。第一游击队尾随北洋溃散的巡洋舰而去，追及“经远”并一举将其击沉。日暮时分，伊东祐亨重新集合各舰，向东南方撤退，北洋海军残存各舰亦集合，向旅顺口返航。
从“吉野”舰上拍摄的行将沉没的“经远”舰
15:39 “千代田”中止第四轮射击。
15:40 北洋海军阵型溃散。“济远”舰首先驶逃，通过“定远”舰前方，向旅顺口方向逃去；继而“广甲”、“经远”、“来远”、“靖远”等亦先后向西北偏西方向浅海航行，欲借道返回旅顺口，而“定远”、“镇远”则向东南方航行。此时“来远”舰后部火灾猛烈，舰体右倾。
15:45 “严岛”舰第三轮射击中止。
15:49 “桥立”观察到北洋舰队分裂成三队。
15:50 “扶桑”舰被毫米穿甲弹击中左舷水线上方1米处副长寝室位置，穿过右舷士官寝室，落入海中。
第一游击队航向西方，追击北洋溃逃舰艇。本队则追击“定远”、“镇远”。
“西京丸”遇见“赤城”正向战场方向航行。
15:55 “严岛”在米距离上向“定远”、“镇远”进行第四轮射击，距离逐渐缩短到米。
16:00 “千代田”在米距离上以右舷炮台开始对“定远”、“镇远”进行第五轮射击。
“松岛”舰火灾熄灭。由于司令塔中舵机损坏，不得不采用人力舵轮操舵。
16:04 “扶桑”舰确认“赤城”正向本队驶来。
16:07 “松岛”舰因舵机故障，挂出不管旗，本队各舰随意运动。“桥立”离开本队向“定远”、“镇远”突进，但因怕妨碍己方其他军舰射击而返航。
16:12 “秋津洲”奖励各炮炮长。
16:15 “扶桑”于舰队后方发现4艘北洋海军鱼雷艇。
“定远”舰为烈焰所包裹，主炮均无法射击，仅以舰尾毫米炮抵抗，且停止航行；“镇远”舰和一艘鱼雷艇在其一侧掩护。
16:16 “平远”、“广丙”与一艘鱼雷艇（或为“福龙”）驶向东北方的大鹿岛东侧；“靖远”舰挂出信号，与“来远”一同右转，也航向大鹿岛航行；“广甲”则航向石城列岛北方海峡；“济远”已向海洋岛的西侧逃远。
16:20 “西京丸”在途中遇见“比睿”正在向战场方向航行，遂发出“损失如何”的信号，“比睿”舰回答“火灾已熄灭”，二舰遂一同返回大同江锚地。
16:21 “千代田”第五轮射击中止。
16:24 “秋津洲”在米距离上以右舷炮向“来远”舰射击数轮。
16:25 “严岛”舰第四轮射击中止。
16:30 “松岛”再次挂出不管旗和“第一游击队回来”信号。
第一游击队航向西北偏西，加速至14节，追击“经远”（因该舰表面上看起来损伤不大）。因距离尚远，“吉野”舰允许兵员小憩，吃零食。
16:45 此时，本队及“定远”、“镇远”射击基本中止。“松岛”以手旗发出“旗舰大炮大概故障，各舰进击”信号，本队各舰随意向“定远”、“镇远”发起攻击。“千代田”、“严岛”、“扶桑”各自向“定远”、“镇远”逼近。
16:48 “吉野”舰逼近到距“经远”至米距离，以右舷速射炮和桅盘炮向“经远”舰猛烈射击。最后迫近到米，几乎弹无虚发。
“经远”舰左舷倾斜，舰内冒出黑烟，同时舵机失灵，方向左右不定。
16:55 “松岛”舰向各舰发出“回归本队”信号，“千代田”加速回航本队。
“赤城”舰蒸汽管修理完毕。
17:00 “秋津洲”在米距离上射击“经远”。
17:03 “定远”火势渐止，开始航行；“镇远”后部亦腾起白烟。
17:05 “经远”舰前主炮破损，无法开炮，同时舰首转向东方。
17:10 “吉野”右舷正横通过“经远”，左转16个罗经点，减速至10节，停止向“经远”射击。“高千穗”、“秋津洲”、“浪速”前来会合，三舰一同向“经远”舰猛烈射击。
“松岛”舰进行甲板扫除。
“定远”、“镇远”与“靖远”、“来远”、“平远”、“广丙”会合，以类似单纵阵的阵型向东南方向航行。
本队向南方航行。
“经远”舰中后部发生严重火灾，舰体逐渐左倾，但尚未停止航行。
17:17 “扶桑”舰停止战斗。
17:22 “秋津洲”左转，继续射击“经远”。
17:25 “吉野”舰加速至12海里，驶近“经远”，欲对其发射鱼雷。
“经远”此时已严重左倾，螺旋桨露出水面，前部也发生火灾。
17:29 “经远”舰左舷舰首渐渐没入水中，随后向左舷翻倒沉没。沉没位置在东经度40分7秒，北纬38度58分（此位置在海洋岛东侧20余海里处，而按照第一游击队的记录，“经远”沉没位置当在大王家岛东南附近，故对此存疑）。管带林永升以下人随舰同沉，仅十余人获救。
击沉“经远”后，第一游击队航向大孤山方向，追击“靖远”、“来远”。此时本队在其东稍偏南方向。
17:30 “定远”、“镇远”与本队采取大约同方向航行。
海战的最后关头仍坚守在战场上的两艘巍巍铁甲舰挽救了北洋海军全面溃败的命运
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