北洋海军虽然在黄海海战中损失了五艘战舰，但主力尚存，完全有能力与来敌决一死战，可是李鸿章抱着投降论调，高唱什么“避战保船”，严令北洋舰队不准离开威海卫一步，连日常的海上巡逻也取消了。丁汝昌竭力反对坐以待毙。在旅顺告急时，他便面见李鸿章直抒胸臆，要求率队出击。日军荣城湾登陆后，他又慨然陈词：“与其安坐而待围攻，曷若僭师而起迎头痛击！”他的这些请战要求，换来的却是褫职留任。李鸿章当面呵斥道：“若违令出战，虽胜亦罪！”在这种情况下，丁汝昌只好全力以赴，准备这最后一战，寄希望于奇迹能够出现。
2月2日，日军完成了对威海卫的合围，军港与外界的联系全部断绝。丁汝昌抱着“吾身早已许国”的信念，率领将士苦撑危局，多次击退来犯的日军。战斗中，他身先士卒，“立于最危险之地”指挥作战。由于众寡不敌，清军损失越来越大，最终威海卫陷落。丁汝昌组织反攻，击沉敌舰两艘、鱼雷艇五艘。日军以两岸炮台配合军舰轰击港内北洋舰队，“来远”、“威远”、“靖远”诸舰相继沉没。十二艘鱼雷艇突围未果，全部被掳。“定远”舰严重受损。为防沉没，刘步蟾当机立断，下令断锚驶至刘公岛东南浅水处搁浅，以作水中炮台继续战斗。
7日，日军发动总攻，北洋水师仅存的两座炮台之一日岛炮台失守。在孤立无援、弹尽粮绝的情况下，北洋舰队中的一些帝国主义分子四下活动，与一些贪生怕死的将领相勾结，胁迫丁汝昌投降。开战之初丁汝昌便断然拒绝了日本舰队司令伊东祐亨的劝降，此时当然更不会同意。面对绝境，为不使尚存的舰只落入敌手，丁汝昌毅然下令炸船毁台。但部分卑怯的清军将领为了投降讨好日本人，竟然拒绝执行。只有“定远”舰刘步蟾执行了命令，并自杀殉国，实践了他“苟丧舰，将自裁”的誓言。
12日，北洋水师最后一个据点刘公岛告急。这时密报传来：“援军无望！”一些民族败类在洋教习唆使下，持刀胁迫丁汝昌投降。丁汝昌宁死不降，含愤服毒自尽。在他尸骨未寒之时，洋员和败类们便向侵略者俯首乞降了，将尚存的十余艘大小船只及大批枪炮辎重拱手相让。清朝政府苦心经营十六年，耗费巨资的北洋海军，就此宣告全军覆没。