重创日本旗舰“松岛”的胜利未能抵消因左翼军舰“济远”、“广甲”逃离战场而给北洋舰队带来的巨大阴影，“济远”、“广甲”的奔逃使得北洋舰队的战斗形势立刻一发不可收拾，孤雁失群的“经远”舰以及右翼第3小队“靖远”、“来远”舰之后也相继离开战场，向大鹿岛方向的浅水区驶避，海战场上北洋舰队实际只剩下了由“定远”与“镇远”2艘铁甲舰组成的第一小队。战场态势几乎就在瞬间发生了急剧恶化，北洋舰队预先设定的作战队形基本崩溃，战局至此已没有可以挽回的余地。今人检讨这一悲惨的情况，一方面必须注意辨明“经远”、“靖远”、“来远”等军舰的行动与“济远”、“广甲”有着本质区别，前者只是暂时离开战场自救，目的还是为了能够回到战场继续作战，而后者则是径直回航旅顺的逃跑行为，性质完全不同。同时也不容我们加以回避的是，血与火的战场上，除了军舰间的厮杀角斗外，实际也是中日两国海军军人精神和意志力的较量，在远比日军恶劣得多的作战环境下，中国军人所需要付出的勇气和需要承受的精神压力也是可想而知的。这种情况下，己方阵营中出现逃兵，谁也无法肯定这不会对士气造成负面影响，千里长堤，溃于蚁穴，北洋舰队坚守了近3个小时的精神阵线，很可能就在“济远”等军舰的逃跑过程中发生了有如雪崩般的垮塌，“靖远”等军舰未能牢牢坚持在战场上的原因，除了军舰自身确实遭受创伤外，其中也不能排除这方面因素的影响。由此，清政府在战后追究“济远”舰管带方伯谦“牵乱队伍”的罪责，也就不难理解了。

航速快捷、机动灵活的日本第一游击队立刻发现了北洋舰队中出现的溃逃情况，司令官坪井航三指挥一游4舰转舵向西北方向进行追击。坪井航三敏锐地判断，北洋舰队阵形的崩溃对联合舰队而言就是一举获得胜利的最好时机，可以采用优势兵力趁中国军舰溃散时加以分割歼灭：“我相信大胜的时机正在此时，遂命令注意水的深浅，随时增减速度，追击向大连湾方向逃跑的敌舰”（“常备舰队司令官海军少将坪井航三的报告”，《日清战史》。）大东沟海战从开始以来，无论是乘坐在“西京丸”上督战的海军军令部长桦山资纪，还是坐镇“吉野”舰指挥第一游击队的坪井航三，对一些战场形势的判断似乎都要高出联合舰队司令伊东佑亨一着，而且在关键时刻居然还大都抛开伊东佑亨，直接自作主张升旗发令，伊东佑亨在海战中这些不佳的表现，使得他在日本海军史上并没有能获得多少重要的地位。

西斜的阳光懒懒地注视着大东沟口这块血火交融的海战场，对于历时已经3个多小时的海战，它似乎也有些倦怠了。北洋舰队这时仅剩下了“定远”、“镇远”2艘同级的钢铁姊妹舰还坚守在战场上，她们面对的是“松岛”、“千代田”、“严岛”、“桥立”、“扶桑”等5艘日本本队军舰。身遭重创的“松岛”显然不愿意放弃眼前过于诱人的目标，开始竭力使用未受太大损失的右舷火炮向“定远”、“镇远”射击，击沉“定远”、“镇远”对于日本而言，与其说是出于单纯的军事目的，不如认为这是一个民族对另一个民族卫国支柱的嫉恨，两艘铁甲舰已经成了大和民族心理上的阴影。虽然旗舰已经挂出了“不管”旗，日本本队后续的军舰大都仍然按照旗舰“松岛”前进的方向跟进，采用右舷炮高速射击。不过本队的航迹还是出现了一丝乱战的特点，位序在“松岛”之后的“千代田”舰，是装备有水线带装甲的装甲巡洋舰，生存力相对较强，舰长内田正敏海军大佐可能是为了提高火炮的命中率，大胆地下令掉转航向，脱离本队的序列后向“定远”、“镇远”接近，作抵近炮击。见到“千代田”自我行事的举动，本队第二个三舰分队的领队舰“桥立”也加以效仿，在舰长日高壮之丞海军大佐的指挥下脱离了本队的序列，进一步接近“定远”、“镇远”。包括“松岛”在内的这些日本军舰此时仿佛像是非洲大草原上嗜血的豺狗，努力围猎落单的2艘中国铁甲舰，“打沉‘定远’、‘镇远’”的口号，已经在日本军舰上喊得震天响了。

“定远”、“镇远”同时遭到本队5艘日本军舰的围攻，意味着有多达近30门120毫米口径速射炮在不停地向她们射击，其中还夹杂有大量320毫米、240毫米等大口径火炮的攻击，这是这次海战以来2舰所遇到的最猛烈的炮火，“镇远”舰上服务的洋员马吉芬回忆了当时的情景，“本队忽又退回，再次将我包围，进行猛击，这是当天最猛烈的射击”。

可是历史显得极为不公允的是，身处这段狭路相逢犹如决斗一般的战斗时，不仅双方的舰船数量不成对比，而且火力方面中国军舰也彻底居于下风。已经经历了3个多小时激烈战斗的“定远”、“镇远”，弹药供给出现匮乏：“‘镇远’六吋炮（150毫米口径火炮）的一百四十八发炮弹已经打光，剩下的只有十二吋炮（305毫米口径火炮）用的穿甲弹二十五发，榴弹则一发没有。‘定远’也陷于同一悲境。再过三十分钟，我们的弹药将全部用尽，只好被敌人制于死命。因为敌舰是能行驶十七节，而且操纵自如的块船。对此，要想以我迟缓的巨舰进行冲撞是不可能的。我们虽注意射击，但现在已无一枚榴弹，不能予敌以多大危害。”更为严重的是，二舰赖以克敌制胜的主要武器在长时间的战斗中也出现了损失，一直处在露天状态作战的305毫米主炮几乎都受了损伤，“定远”剩余3门可以继续发射，“镇远”则仅剩2门能够使用，“巨炮均经受伤，‘定远’只有三炮、‘镇远’只有两炮，尚能施放”（对于这一记载，中国一些著作长久以来错误地诠释为：“定远”主炮只有3颗炮弹、“镇远”只有2颗炮弹。史料中的“炮”实际意指的是火炮，而非炮弹。）。此外“定远”、“镇远”舰安装在军舰首尾的150毫米火炮也出现了一些损伤，马吉芬详细地描述了“镇远”舰舰首150火炮受损的经过：当完成第24发射击，正准备装填下一发炮弹时，可能是限位装置（阻劈螺丝或阻劈铁链）损坏，横楔式炮闩突然脱落，火炮作废无法使用，炮手们被命令补充到305炮台上作战，正当他们离开150毫米火炮炮塔时，一颗从日本军舰射来的大口径炮弹击中了他们刚刚离开的地方，150炮塔内顿时充满飞散的破片……在弹药和炮位双重短缺的桎梏下，“定远”、“镇远”的射速变得极为迟缓。

“定远”、“镇远”与日本本队5舰间的对抗，构成了一幅极不对称的画面。白色的日本军舰在不断地开火，唯恐射速还不够高，显得杀气腾腾；2艘龙旗铁甲舰则不断被击中起火，“药弹狂飞，不离左右”，却仍然势如泰山，岿然屹立，缓慢但有节奏地发炮进行还击，显得异常的坚强、执着。今天的我们已经不可能了解当时“定远”、“镇远”上中国军官的作战意图，但从2艘军舰始坚持向西南方向运动的情况来看，她们已经身处险境时，似乎还在努力把日本军舰往尽量远离大东沟的方向引导，然而这种为了完成护送陆军的使命而不顾自我安危的技术细节，长久以来却往往被忽视。

在下濑火药炮弹密集疯狂的打击下，“定远”、“镇远”先后数度燃起大火，两艘铁甲巨舰互为依靠，一面救火，一面继续射击，没有流露丝毫怯色，最后“定远”、“镇远”几乎完全停止航行，静止了下来，与日本军舰抗衡，犹如滑铁卢之战中持刺猬阵以静制动，大败法兰西骑兵的英军一般，“定远”、“镇远”仿佛是一对北洋柱石，她们最终守住了北洋舰队在这次海战中的底线。“我本队舍其他各舰不顾，举全部五舰之力量合围两舰，在榴霰弹的倾注下，再三引起火灾。‘定远’甲板部位起火，烈焰汹腾，几乎延烧全舰。‘镇远’前甲板殆乎形成绝命大火，将领集合士兵救火，虽弹丸如雨，仍欣然从事，在九死一生中毅然将火扑灭……”（《日清战史》）日本联合舰队的官兵彻底被眼前的景象震慑了，2艘中国铁甲舰几乎都已遍体鳞伤，但没有一处弹痕的深度能够超过4英寸，除了不断使两艘中国军舰燃起大火外，对“定远”、“镇远”厚厚的装甲，日本本队5舰均束手无策，这毕竟是两艘一等铁甲舰，虽然她的炮火配置已显得落伍，但是防护力却是在场的中日军舰中最为强大的。原本不可一世，认为胜利唾手可得的日本官兵，在经历了1个多小时的反复炮击后，发现并没有能给“定远”、“镇远”造成多大伤害，两艘铁甲舰在弹雨中没有露出一点屈色，依然一副奉陪到底的无畏姿态，此时日本官兵大都有些无奈和绝望了，他们觉得面对的是2艘永远不可能沉没的神舰……

“‘定远’舰怎么还打不沉啊！”

“松岛”舰面目全非的火炮甲板内，腹部重伤的日本三等水兵三浦虎次郎发出了如此的浩叹。透过他身旁舷壁上的巨大破口向外望去，巍巍铁甲舰“定远”、“镇远”显得是那么的坚不可摧，恍如是海上的长城！著名的“永不沉没的‘定远’”称号即由此得来。

关于“定远”、“镇远”舰在海战场上的价值，当时在远东观战的英国“中国舰队”司令菲利曼特尔有过高度评价：“（日军）不能全扫乎华军者，则以有铁甲舰巍巍两大艘也”。可以设想，当日如果“定远”、“镇远”未能坚持在战场上，而也随众退离，那么不仅大东沟内的运兵船可能会被日军发现进而屠戮，散离战场的北洋舰队军舰也可能被日本联合舰队各个击破，损失会更加严重，后果将不堪想象，从这种意义而言，“定远”、“镇远”不啻于是北洋舰队在这场海战中的中流砥柱。