提要：在日军本队、第一游击队化开阵型，包抄北洋海军的前后两侧之后，北洋各舰承受了更加严重的打击。追击“赤城”的数舰被迫回航，“定远”舰则在与日军的炮战中发生严重火灾，全军阵型已完全混乱。另一方面，从北方驶来，加入主队的“平远”、“广丙”、“福龙”等舰与日军本队遭遇，双方进行了激烈的炮战，“福龙”甚至向“西京丸”发动了鱼雷攻击。在该阶段的末尾，北洋海军“致远”舰沉没，而日军旗舰“松岛”亦被“镇远”发射的毫米炮弹击中，发生大爆炸，丧失了战斗力。
“西京丸”号遭到北洋海军围攻和鱼雷艇攻击的情景
14:22 “定远”、“镇远”及另一艘军舰向“西京丸”追击并开炮。
“西京丸”舰客厅被2发毫米炮弹反跳击中右舷军官沙龙部位，在沙龙与轮机舱中间爆炸，将临近舱室的天窗等打碎，并打坏舵机蒸汽管，令蒸汽舵机失效。“西京丸”舰不得不准备备用舵索和人力舵轮操舵。
14:23 “赤城”舰航海长佐藤铁太郎包扎完毕，重新督战。
“扶桑”舰被一发炮弹击中右舷烟囱下部后方位置，从左舷毫米炮台前方舷侧穿出，落入海中，造成2人死亡，7人受伤。
14:24 “西京丸”舰右舷士官室被毫米和毫米炮弹击中。
14:25 “秋津洲”舰左转16个罗经点，并中止第二轮射击。
14:26 “松岛”舰开始以毫米主炮进行第二轮射击，击中“镇远”舰前部。
14:30 “西京丸”右舷被毫米炮弹击中，同时该舰发出“我舵故障”信号，离开队列，航向东北方向。
“浪速”舰左转16个罗经点，恰好“西京丸”位于该舰左舷，“浪速”不得不停航，让“西京丸”原地通过，因此大大落后于第一游击队前续军舰，陷于孤立的境地。
北洋海军“定远”、“镇远”、“靖远”（或“致远”）向“浪速”接近，距离缩小到米左右，另有一艘鱼雷艇也向“浪速”接近而来。
“松岛”舰烟囱被毫米炮弹击中。
“吉野”舰右舷前部被毫米炮弹击中。
“赤城”舰5号炮被57毫米炮弹击中。同时该舰距离敌军已米以上，减速进行修理。
“高千穗”舰在米距离上射击“定远”、“镇远”，并发现一艘鱼雷艇（或为“左队一号”），以机关炮射击之。
“镇远”舰后部发生火灾。
“平远”舰距离“松岛”米。
14:31 “扶桑”舰开始第二轮射击。同时该舰中部被一发毫米炮弹击中烟囱下方左舷毫米炮台，打死1名炮手，1名信号兵。
14:34 “松岛”舰与“平远”舰交战，“平远”舰发射的一发毫米炮弹从其左舷士官次室（下甲板治疗所）穿入，穿过掌水雷长要具室和左舷鱼雷发射管下方，打死左舷鱼雷发射员4人，并在毫米炮台中爆炸。
14:35 北洋海军的追击舰艇返航，以单纵阵向第一游击队炮击通过。
“吉野”舰左转后，与本队相距约米，共同夹击北洋舰队。该舰在米距离上开始第三轮射击，目标为北洋海军正在返航的追击舰艇，顺次进行猛烈射击，逐渐接近到0米距离。此时，该舰又在左舷舰首方向米处发现一艘鱼雷艇（或为“左队一号”），面向该舰行驶，但未能靠近。
“千代田”舰在米至米距离上以左舷炮射击“平远”。
14:36 “秋津洲”舰在米距离上开始第三轮射击，逐渐接近到0米，猛烈射击“定远”、“镇远”。
“西京丸”舰发现大鹿岛附近有一艘敌舰（即“扬威”）燃起火灾，进退不自由，因此驶近开炮，但北洋主队驶近其右舷米左右开炮，其右舷后部水线附近被一发毫米炮弹击中，引起进水。因此损管队先以木栓堵住破口，然后在侧板内侧再镶衬一块铁板，中间灌注水泥堵漏。
14:40 “平远”、“广丙”与一艘鱼雷艇向西京丸来袭，“西京丸”先向居前的鱼雷艇射击，该艇向激战的炮烟中退去。“平远”、“广丙”遂在“西京丸”右舷米距离内通过，“西京丸”向其全力炮击，确认命中2发。
“西京丸”舰尾被毫米炮弹击中，引发火灾。
“赤城”舰与敌远离，停止射击，停船进行检查。
14:42 “松岛”舰左舷被“平远”47毫米炮弹击中。
“西京丸”前桅被毫米炮弹击中。
14:45 第一游击队接近追击“赤城”的北洋军舰。
“赤城”舰修理完毕，以全速航行。
“秋津洲”左舷后部被毫米炮弹击中。
本队逐渐远离北洋舰队，“千代田”舰第三轮射击中止。
14:46 在第一游击队的攻击下，追击“赤城”的“来远”（或“经远”）和“致远”发生火灾，向主队方向退却。
14:54 第一游击队左转16点，减速至14节，整顿队形，追击北洋军舰，此时观察到“松岛”舰在其右舷正横方向，北洋海军军舰正指向本队方向。
14:55 “秋津洲”舰第三轮射击中止。
“西京丸”在舰首方向发现鱼雷艇“福龙”号，一直向其舰首方向驶来。
14:57 “扶桑”舰第二轮射击中止。
15:00 “吉野”舰右舷后部被毫米炮弹破片击中。
“秋津洲”命令休息。
“严岛”舰被50毫米（估计应为47毫米）炮弹击中右舷中部水线上7英尺处，打进煤舱中。同时，该舰中止第二轮射击。
“西京丸”观察到一艘北洋军舰燃起大火，火势烧到舰桥，进退失去自由，似行将沉没状。
15:05 “秋津洲”舰随第一游击队先导舰左转，追击敌舰。
“西京丸”以舰首毫米炮向“福龙”发射5发炮弹，均未击中。
“福龙”鱼雷艇以舰首鱼雷管向“西京丸”发射2枚鱼雷，从“西京丸”左舷擦过。
15:06 “福龙”鱼雷艇在距离“西京丸”左舷约40米处转向，并以后部旋转鱼雷管向“西京丸”发射第三枚鱼雷，但因距离太近，鱼雷未及上浮便从“西京丸”舰底通过。
15:10 北洋海军此时阵型已完全混乱。“定远”医院中弹，前部发生火灾，一时间无法进行前向射击，前部鱼雷舱的战雷头也因防止殉爆而被抛弃。因进行灭火而使下层甲板积水达4英尺。此后，“定远”、“镇远”二舰火炮发射速率明显减少，4至5分钟才发射一发，且经常停航。其他中国军舰大都向西北方向驶逃。
“松岛”舰中央鱼雷室上部被“平远”发射的47毫米炮弹击中，在主桅下方爆炸，左舷鱼雷发射员2人毙命。
“吉野”舰速度12海里，航向北方，追击敌舰。
15:12 落后的第一游击队“浪速”舰渐渐接近前续军舰“秋津洲”。
15:15 “严岛”舰以右舷炮开始第三轮射击，距离从米逐渐接近到米，专注于射击“定远”、“镇远”，同时“平远”舰在其左舷0米处通过，亦以左舷炮向“平远”舰射击，距离逐渐接近到0米。
“桥立”舰开始第三轮射击。
15:20 “镇远”向“定远”交火的一侧驶去，进行保护。
“浪速”随第一游击队前续舰左转。
“千代田”在0米距离上以左舷炮台开始第四轮射击。
“严岛”左舷被“平远”发射的47毫米炮弹击中。击中前甲板下左舷窗户上部，引起中甲板餐厅处火灾，不久后即扑灭。
15:23 “千代田”距离北洋军舰米，左舷中部水线上4英尺处被毫米炮弹击中，在轮机舱装甲门上方通过，在右舷中央水线上方2英尺处穿出，损管队进行堵漏作业。
“秋津洲”在米距离上以右舷炮开始第四轮射击，目标为“定远”、“镇远”。
15:24 “广丙”与“福龙”号鱼雷艇接近“扶桑”右舷。
“扶桑”舰以右舷炮开始第三轮射击，目标为“广丙”，令其不敢接近。
15:25 “致远”舰右倾，仍继续航行。
大约在此时，“吉野”舰在距离北洋军舰约米时率领第一游击队右转8个罗经点（90度），减速至12海里，与本队形成直角航路，欲对北洋海军右翼进行十字交叉射击，但为时稍晚，因本队已驶过北洋舰队左翼。
15:26 “松岛”号毫米主炮进行第三次射击，炮弹落入“定远”、“镇远”后方。
“致远”舰的沉没
松岛发生大爆炸后，“勇敢的水兵”三浦虎次郎发出的灵魂拷问：“定远怎么还不沉啊？”
15:30 “致远”舰尾螺旋桨露出水面，仍在转动，随后沉没。沉没位置在东经度32分4秒，北纬39度32分。管带邓世昌以下人随舰同沉，仅有大副陈金揆以下数人得救（陈金揆后因伤重不治而死）。
“定远”舰火势更盛。北洋海军其他军舰或苦于火灾，或陷入进退维谷的境地。
“镇远”舰发射的2枚毫米炮弹（至少有一发是5倍径的大开花弹）在0米距离上击中“松岛”号，穿入该舰4号毫米速射炮炮门，一枚击中该炮炮管，将其震离炮架，随后该弹折向上甲板爆炸；另一枚击中炮盾后爆炸，将附近堆积的毫米炮发射药引爆，“松岛”舰瞬间发生惊天动地的大爆炸，舰体倾斜，并燃起火灾。此次殉爆造成海军大尉志摩清直、少尉伊东满嘉记以下28人当场阵亡，68人受伤，前部炮房几乎被荡涤一空，经过修理仅剩6门速射炮能够射击。由于舰体震动，毫米主炮尾栓也发生了故障，无法闭锁。“松岛”舰一时间失去了战斗力。
“严岛”舰左舷前部被47毫米炮弹击中左舷侧吊床柜，破片在毫米主炮炮塔中乱飞，击毙10人，并引起火灾，不久后扑灭。
“秋津洲”中止第四轮射击。
“西京丸”转向南方，并发现有三艘北洋鱼雷艇向其追击约半个小时。
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