日岛东西长约120米，南北宽约80米，岛岸线不足千米，在退潮的时候才能看到岛周围的一片浅滩。日岛炮台采用升降炮台技术，炮台外形基本呈圆形，大概高出海平面14米左右，上面建有炮位、掩体、火药库、护坡墙等工事。炮位有两个升降台，配置英国阿姆斯特朗厂制造的200毫米口径地阱炮两门。另外岛上还有口径120毫米平射炮两门，口径65毫米平射炮4门。在战争最艰难的时候，丁汝昌把守卫日岛炮台的重任交给了萨镇冰。日岛炮台在萨镇冰的带领下三十多名守军用仅有的8门火炮抵抗整个日本舰队25舰数百门速射炮的轮番围攻。
三月二十四日，日军再次派出鱼雷艇5艘再次进港偷袭。来远舰中雷倾覆，练舰威远、差船宝筏中雷沉没。同日下午，日本海军和占领北岸的日本陆军，再次轰击刘公岛和北洋舰队。丁汝昌令各舰与黄岛、刘公岛、日岛各炮台配合，向北岸回击，封锁威海港南北两口，双方炮战良久，敌舰再次被击退。夜里，丁汝昌令鱼雷艇管带王平，率上次反登陆作战剩余下来的10艘鱼雷艇队袭击敌人。王平却与鱼雷艇管带蔡廷干等密谋逃跑。由于事先有岳天提醒，经查实之后，丁汝昌命人将王平、蔡廷干等人抓捕，电请朝廷，当晚得朝廷批准，就地处斩，极大威慑了诸多鱼雷艇。为了保证鱼雷艇的战斗力，丁汝昌请刘永福派出黑旗军骨干75人，10艘鱼雷艇每艘配置五名黑旗军骨干作为监军，进行督战。同时，命可靠水手泅水前往烟台向山东巡抚巡抚李秉衡求援。
三月二十五日上午六时，天刚亮不久，日军便开始对威海卫守军和北洋舰队实行总攻。刘公岛炮台、日岛炮台。守军奋勇还击。开战不久，日军旗舰松岛即中一弹，击毁舰桥，打穿烟囱，击伤日军5人。战至八时许，日军桥立、严岛、秋津洲、浪速四舰也被击伤，日军吉野中弹，死伤7人，扶桑舰死伤11人。
这时，北洋水师10艘鱼雷艇从隐蔽处以极快速度冲出，日本舰只赶忙调转炮口，朝北洋水师的鱼雷艇，倾泻炮弹。在日军速射炮的炮击下，4艘鱼雷艇先后被击沉，剩下的鱼雷艇成功突破鱼雷射程，先后朝日军各舰发射了18枚鱼雷，然后朝日岛炮台侧后逃窜。日军吉野舰被三枚鱼雷先后击中、扶桑舰中了两枚，两舰无法快速移动，半个小时之后，在日岛炮台、刘公岛炮台的岸防炮轰击下，两舰相继沉没，日海军死伤一百余人。
三月二十五日，十时日舰救起吉野舰、扶桑舰落水官兵之后，各舰边打边退，撤出了战场。北洋水师利用这间隙，往日岛运送弹药补给。
三月二十六日黎明，日军军舰又再次发动进攻，日岛炮台又进行激烈的反击，但是由于连续几日激战，炮台上的火炮炮管全部超过使用寿命，刚补充的弹药也打完了。三月二十六日傍晚日军撤退之后，萨镇冰奉命带着三十多名守军撤离日岛。
三月二十七日六时，由于没有了日岛炮台的封锁，日军10余艘军舰，突入威海湾，对刘公岛进行炮击，刘公岛上的水师学堂、机器厂、煤场及民房等，均毁于炮火，港内战舰算上鱼雷艇、运输船只剩18艘，但能战的大小炮舰只有12艘，分别镇远、定远、济远、平远、靖远、广丙、六艘战舰和镇东、镇西、镇北、镇中、镇边六艘炮。当天下午，丁汝昌得到密报，登莱青道刘含芳所派的援兵，在文登县被日军击溃，北洋水师最后一线希望虽然破灭。
当夜，丁汝昌连夜召集各管带、洋员会议，毅然提出：“当夜舰队组织出港，全军往北突围，前往烟台，待休养生息恢复之后，再与日寇再战。”北洋水师里的洋员和牛昶昞等早有密谋，均不答应，马格禄、牛昶昞还想次日指使一些兵痞持刀威逼丁汝昌。不过，丁汝昌早有准备，会议刚结束，牛昶昞以及洋员英国人马格禄、美国人浩威等人被刘永福率部缉拿关入刘公岛水师衙门，部分兵痞趁机闹事，很快被黑旗军士兵当场击毙，于是整支水师得以控制下来。
随后，在水师提督丁汝昌、定远舰管带刘步蟾、镇远舰管带杨用霖的召集下，各舰管带又召开了会议，讨论随后突围的作战计划。拟定天亮前舰队往北突围，先由鱼雷艇和炮艇开路，冲开日军海军北边封锁线，然后全速北上突围，由于北洋水师各舰航速低于日舰，突围之后，由已经无法正常行驶的镇远舰吸引敌舰队火力，其他舰只尽速往北撤。由此，此次突围镇远舰不在此列，全舰官兵将作为死士。不过，丁汝昌最后力排众议，自己坚决要留下了，随后镇远舰管带杨用霖也拒绝跟其他舰撤离，还有不少镇远舰官兵选择跟镇远舰共存亡。刘步蟾也想带着定远舰全舰官兵留下来一起掩护其他舰撤退。但是丁汝昌还是以保存北洋香火为由，让刘步蟾要承担起责任，带领舰队杀出去。镇远舰管带杨用霖与刘步蟾，还有自杀殉国的林泰曾都是福建闽侯人，已做决死之心的杨用霖含泪便写了几封绝笔信交给老乡刘步蟾，让他帮忙寄回闽侯。
于是，丁汝昌让刘步蟾记下所有留守镇远舰官兵的姓名，然后便让大家各自分头行动，为了防止突围时有军舰趁机投降资敌，丁汝昌又拜托黑旗军分乘济远、平远、靖远、广丙一起撤退。
翌日凌晨五时，天刚微亮，威海湾军港尚能战的12艘军舰，都加满煤和补满弹药，趁着日军大部还在休整，整支舰队急速出港，往北突围。虽然此时是光线不足，但是北洋水师凭着对水道的熟悉，急速出港。
等北洋舰队快要出港之时，日军的鱼雷艇发现了，而北洋水师的鱼雷艇和炮艇率先开炮阻拦日军鱼雷艇。这些日军鱼雷艇承担警戒任务，随着北洋水师的炮艇的炮响，纷纷进行躲避，并寻找机会朝北洋水师的12艘军舰发射鱼雷，由于镇远舰无法正常行驶，结果被一枚鱼雷击中，但由于装甲较厚，未漏水。丁汝昌旋即组织舰艇上官兵开炮还击掩护其他军舰撤退。
黎明的炮声，很快让日军联合舰队从睡梦中醒来，联合舰队司令官伊东佑亨没想到北洋水师竟然敢天还没亮就出港突围，当即结合舰船围堵。
上午六时，伊东佑亨亲率松岛(旗舰)、千代田、高千穗、秋津洲、浪速、比睿、金刚、高雄、大和、武藏、天龙、海门、摩耶、筑紫等舰追击定远舰等北洋水师北逃军舰。而留下葛城、筑紫、爱宕、摩耶、大岛、鸟海六艘军舰对付已经摇摇欲坠的镇远舰。