1894年12月7日，聯合艦隊司令官和第二軍司令官給大本營發出聯名電報：“期待的直隸作戰，因爲天氣原因出現諸多困難。目前金州半島的氣溫已經降到零下七、八度，人馬凍死者不斷。直隸地方的寒冷超出了預期估計，現在即使是晴朗天氣，結凍的渤海灣和刺骨寒風也不適宜登陸作戰。大本營如果希望繼續實施作戰計劃，可以先發兵山東半島，海陸兩軍合力夾擊北洋水師，全殲清國海上軍力乃上策。”伊藤首相不擴大戰爭的意見和軍方作戰的實際態勢不謀而合，大本營下達偵查威海衛作戰條件的命令，同時發佈了進攻山東半島的軍事動員令。
清軍在山東半島防禦
清日兩國開戰初期，山東省駐在的清軍兵力，步兵約40營、騎兵8營、水雷營2營。具體配屬，威海衛附近，綏字軍4營、鞏字軍4營、水雷營2營;劉公島北洋護衛軍2營;芝罘嵩武軍4營;登州嵩武軍1營，登營練軍2營;膠州灣附近嵩武軍5營、青州駐防步隊1營、馬隊1營;濟南地方嵩武軍4營，濟字前營1營、泰靖營2營、靖健營2營、撫濟營馬隊1營、武定附近精健營1營;袞州地方濟字營2營、刑字營1營、精健營馬隊1營，袞州所在馬隊1營、濟字營1營;曹州地方山東步隊練軍3營、濟字營馬隊1營、鬆字營馬隊1營;沂州附近新健營馬隊1營。山東巡撫福潤爲加強防衛向朝廷請求，又獲得4個炮兵營、大炮36門的編制。威海衛軍港的防衛由統領道員戴宗騫負責，率4個營防守北岸;總兵劉超佩率鞏字軍4個營守衛南岸;總兵張文宣率2個營擔任軍港防務守護劉公島。上述各建制均直屬北洋大臣李鴻章指揮。
1894年7月，朝鮮戰事爆發，提督葉志超請求援軍時，李鴻章欲抽調威海衛綏、鞏兩軍1,000人步隊增援，被威海衛陸軍統領戴宗騫拒絕。爲加強威海衛防務，巡撫福潤向朝廷徵得募兵許可，徵募新兵步隊4營，並在沿海十餘州縣張榜檄文，組織漁民團警備海岸。9月平壤陷落、黃海海戰戰敗，清國對山東防區的防衛兼顧不暇，把準備駐屯威海衛的湖南巡撫吳大澂率領的4個湘軍營調往山海關。9月下旬，福潤的後任李秉衡受命率曹州地方步隊4營、馬隊2營駐防天津。11月中旬，駐防威海衛的綏、鞏兩軍聽說鴨綠江、金州陸續失陷的消息，鬥志沮喪、軍紀混亂。綏字軍三營兵勇，因軍餉和給養問題引發騷亂險些釀成軍變。戴宗騫唯恐鬧事波及其他軍營，千方百計調來軍餉，先期支付軍糧軍餉，同時制定懸賞規則安撫兵心，把事件平息了下去。12月7日李鴻章電報，要求威海衛諸將構築禦敵工事，請求軍務處調集湖北的凱字軍增援。由於清軍連敗的消息傳遍山東各地，李秉衡募集新兵的工作遇到困難，自願應募者非常少。戴宗騫在軍港北岸、柏頂炮臺、田村附近增添20門大炮加強防禦力量，而榮城方面的防禦卻沒有引起足夠的重視。日本軍艦連日來進入榮城灣龍睡澳一帶偵查登陸地點，暴露了日軍登陸作戰的企圖。李秉衡命令濟字右營、靖健前營、泰靖左營、河成左營在榮城和裏島一帶佈防，防止日軍在該地點登陸。
日軍在山東半島攻勢
12月16日，大本營任命大山第二軍司令官爲山東戰區長官，廣島待命的第二師團和警備九州的第六師團的半個師團編入第二軍，擔任威海衛作戰任務。聯合艦隊司令官負責護送第二軍兵團登陸和摧毀清國艦隊。爲了保證艦船的作戰效能，艦底部必須定期去除貝殼等雜物，換漆維修。伊東司令官決定聯合艦隊諸艦一面監視清國艦隊，一面輪換返回國內船塢維修作業，同時搶修遭到清軍破壞漏水的旅順港船塢，命令艦隊必須在12月末完成戰鬥集結準備。12月22日至26日，陸軍和海軍各派遣將校參謀團，乘“高千穗”艦進入榮城灣的龍睡澳周邊，偵查測量登陸地形，調查作戰條件。結果發現登陸地龍睡澳不同於花園口，無法通行車輛，請求大本營徵用軍夫，並增添大量登陸物資。根據山東半島的地形，陸軍參謀建議增加兩個9釐米臼炮中隊。28日偵查探知，山東省全域駐屯的清軍兵力增加到54營17,195人，其中威海衛和劉公島10營、周邊8營，合計7,711人。芝罘防禦兵力5營2,524人，而且山東各地的清軍仍然繼續向威海衛一線集結。
1895年1月16日，日軍第二師團和第六師團陸續抵達旅順半島，山東半島作戰部隊的徵前準備就緒。輸送第二、第六師團前往威海衛，由44艘艦船分三次完成。16日，聯合艦隊派遣“八重山”、“愛宕”、“摩耶”、“磐城”艦，搭乘海軍陸戰隊和第一野戰電信隊，於凌晨4時提前進入龍睡澳灣內，換乘3艘小艇登岸執行偵察敵情和切斷清軍電報線的任務。6時40分，小分隊到達落鳳崗村西北約400米灣頭，突然遭到陸上數隊清軍的射擊，小分隊立即施放撤退信號彈緊急退回艦上。日艦向清軍陣地開炮，清軍兵勇三三兩兩從陣地脫逃。陸戰隊再次登陸落鳳崗村，清軍稍作抵抗便丟棄陣地向玉皇廟方向逃去，附近友軍見落鳳崗村的守軍敗退也棄陣而逃。7時許，海軍陸戰隊佔領了落鳳崗村，電信隊佔領了成山角燈臺和電信局。8時，輸送船隊陸續駛入龍睡澳灣，聯合艦隊在灣外警戒，陸軍開始登陸作業。上午9時，威海衛下起大雪，道路被雪覆蓋。傍晚時分，強風席捲雪花，直到晚上9時左右部隊纔到達榮城。26日，主力部隊按原定方案分三次海上輸送，完成了榮城灣的登陸計劃。
威海衛陸戰
1月25日，第二軍司令官上陸進入榮城縣，26日下達進攻威海衛的命令。但雪地行軍，部隊行動緩慢，輜重運輸尤爲困難重重。次日黎明，北阜和孟家莊附近高地的清軍炮兵，向佔領牙格莊的日軍前衛部隊猛烈炮擊。日軍二大隊反擊，清軍一時向西面退卻。午後，清軍大部隊襲來，倚仗猛烈炮火支援，步兵1,200人揮舞大旗在鑼鼓聲的壯勢下，向北阜十家河日軍陣地殺去。另約300步兵進攻孟家莊至福祿莊之間的高地，又數百步兵向孟家莊北側高地迂迴。此時天降大雪，清日雙方展開了激烈的陣地槍炮戰。進攻的清兵在雪地裏身影暴露無法隱藏，有助日軍照準射擊，迫使清軍退卻。28日，日軍向前推進，左縱隊和右縱隊分別佔領鮑家村、江家口，後續增援大隊也相繼到達。29日，日軍偵查報告，清軍在溫泉湯西北高地和百尺崖西南高地設有佈防。30日上午7時，日軍右翼部隊向楊峯嶺炮臺炮擊，大寺少將左翼部隊進攻清軍摩天嶺炮臺，遭到清軍炮臺重炮反擊，炮彈在雙方陣地隆隆爆炸。可是清軍大炮的彈着點大部越過日軍序列落在後方，傷敵率微乎其微。8時25分，左翼部隊向摩天嶺炮臺和西方堡壘發起衝鋒，清兵奮力射擊抵抗，港內清軍炮艦和日島炮臺也集中火力猛烈轟擊。日軍進攻受挫折，士兵死傷數上升，大寺少將被清艦彈片命中負傷，2月9日不治而死。日軍工兵冒死衝入炮臺近前，用炸藥炸開炮臺一角突入炮臺，清軍陣營大亂，兵勇紛紛向楊峯嶺炮臺方向逃去。8時30分，日軍佔領摩天嶺炮臺，9時30分，佔領鹿角嘴和龍廟嘴炮臺。日軍炮兵用繳獲清軍炮臺的大炮轟擊楊峯嶺炮臺，炮臺火藥庫被命中發生大爆炸，守兵頓時大亂，向鳳林集北方海岸逃走。日軍追趕清潰逃兵，北洋戰艦急速駛近岸邊炮擊日軍追兵，迫其退回鳳林集。12時20分，日軍右翼部隊先後佔領楊峯嶺、趙北嘴炮臺和鞏軍右營。左縱隊與虎山北高地清軍交戰，佔領了鳳林集東南一線陣地和南岸堡壘羣陣地，當日戰鬥中日軍陣亡25人。
清軍南岸堡壘羣陣地，正面配備重炮4門、輕炮28門、步兵4營;側翼鳳林集東南一線高地的南北虎口和虎山，配置步兵4營、野炮3門、山炮10門。在海岸炮臺、日島炮臺、劉公島炮臺、北洋戰艦的炮火轟擊下，清軍給日軍造成較大傷亡。清軍雖然佔有優勢地形，可是兵勇禦敵膽怯，鬥志低下，終於不敵日軍攻勢。清兵丟棄南岸附近堡壘羣陣地逃走，日軍趁勢佔領了保衛北洋軍港的南岸防禦陣地。南岸攻堅戰，日軍戰死54人、負傷152人。清軍死傷確切數字不明，第六師團清理戰場時，埋葬清兵屍體740具，其他部隊清理數不詳。消耗榴彈245發、榴霰彈1,074發，步槍子彈84,483發。繳獲清軍裝備，山炮13門、南岸堡壘羣陣地和大量遺棄的槍支彈藥。
清軍南岸防線陣地的丟失給北洋水師帶來極大威脅，清艦完全暴露在被日軍佔領的炮臺陣地射程之內。清軍日島、劉公島、北岸諸炮臺進入最高警戒狀態，一旦日軍部隊靠近海面立即炮擊。30日晚8時，大山第二司令官下達攻擊準備命令，第二師團前衛於31日上午8時從宋家窪出發，在長峯寨西方高地附近擊退了清軍守軍。31日夜，司令官下達翌日向羊亭集和曲家河進軍的命令，2月1日，羊亭集附近日軍與孫家灘至港南村一線清軍交火，清軍6門大炮轟擊日軍，陷陣的日軍9人戰死。日兵冒死接近清軍陣地，大炮失去了攻擊力，清軍見突至近前的日軍，立即退出陣地向芝罘方向遁逃，羊亭集被日軍佔領。
2日凌晨2時，第二師團從羊亭集出發，奇襲威海衛，到達田村東北高地清軍堡壘羣時，清軍已經棄陣逃跑，空無一人，9時30分，日軍在無任何抵抗下進入了威海衛重鎮。威海衛的失陷使清軍艦隊一側完全暴露在日軍攻擊的視野之下，深處危機的清艦頻頻接近岸邊，用艦炮阻擊日軍佔領威海衛城。10時30分，前衛司令官貞愛親王命令向北面縱深方向移動，佔領北岸全部炮臺，掃清護衛清艦隊的所有陸上障礙。1時50分，日軍從黃家溝北海岸迂迴至北岸諸炮臺附近，發現炮臺清軍已經逃走不知去向，日軍佔領神道口新兵營、九峯頂炮臺、遙瞭墩炮臺。晚8時，日軍又攻取北山嘴炮臺、柏頂炮臺。至此，威海衛陸岸防線徹底崩潰。
1月20日清晨，駐防威海衛的清軍報告，日軍在榮城灣大舉登陸，已經佔領了成山角燈臺和電報局。朝廷此時才恍然大悟，後悔無謀抽調兵力北上忽略了山東防務。朝廷下令遣清江駐軍李佔春15營、徐州陳鳳樓5營、沂州丁槐5營急速趕往威海衛救援。24日，丁汝昌視察南北炮臺防務，發現日島炮臺甚至沒有配置指揮官，海岸炮臺守軍只有重炮沒有配備槍支，敵陸軍若進攻炮臺根本無法自衛防身。一旦炮臺落入敵手，大炮就會變成敵軍攻擊北洋艦隊的武器。丁汝昌與劉超佩商議，先把龍廟嘴炮臺大炮的閉鎖器卸下隱藏起來，即使日軍奪取炮臺也無法利用這些大炮。陸軍總指揮官戴宗騫得知此事勃然大怒，25日命令將閉鎖器恢復炮身，同時給李鴻章發電報，狀告丁汝昌無根無據擅自行事，要求今後陸地上的防禦，北洋水師一律不得干涉。26日，橋頭集陸續集結的清軍達14營，與不斷登陸增強的日軍形成對壘態勢。駐紮在酒館集駐在的孫萬林率三個營向橋頭集進發，綏軍劉樹德率三個營側援，南岸堡壘羣守衛鞏軍三個營沿榮城海岸北路後進，駐守芝罘的總兵孫金彪率嵩武軍的福字營、東字營前往寧海方向阻擊登岸之敵。孫萬林組織大隊向日軍發動兩次進攻，每次前面的兵勇被擊退，後面大隊就即刻潰散，無奈大隊只能返回防禦陣地。27日，孫萬林得知劉樹德前夜遁退溫泉湯，閻得勝部也退往草廟集，陷入孤立的孫萬林戰意頓失，率隊撤離陣地而去。30日，日軍南北兩路夾擊南岸堡壘陣地，戴宗騫、李秉衡弱氣抗敵，龍廟嘴、鹿角嘴炮臺相繼失陷，戴、李二人逃往北岸炮臺。結果丁汝昌擔心的事情最終發生，炮臺陣地的一些大炮閉鎖器因來不及拆卸藏匿，成爲日軍毀滅北洋水師的利器。
港灣攻堅戰
威海衛失陷，日軍佔領了港灣周邊炮臺。北洋艦隊儘管冒險接近岸邊，用艦炮攻擊日軍支援陸軍作戰，可是保衛艦隊的防軍丟下北洋艦隊紛紛向芝罘方面遁逃。日軍威海衛陸地作戰的同時，聯合艦隊的艦炮火力猛烈轟擊清軍南岸炮臺陣地支援地面攻勢，戰艦在港外配置圍堵陣勢，防止清艦奪路逃走。聯合艦隊擔心北洋艦隊一旦逃走與南洋艦隊會合，仍將會成爲日本艦隊的心腹大患。2月1日，天氣惡化，暴風雨和冰雪使甲板和大炮結冰，戰艦失去了正常的戰鬥機能。2日，天氣恢復平靜，戰艦稍微接近港灣就會立即遭到清軍艦隊、日島、劉公島炮臺的猛烈轟擊。大山司令官決定用繳獲的清軍炮臺大炮攻擊清艦，但是許多炮械在清軍逃跑時被破壞，大山請求海軍派炮械師急速前來，協助修復炮具。
2月3日晨，伊東司令官率領聯合艦隊進入威海衛軍港東口附近，被設置在灣外的鋼索柵欄擋住通路。柵欄爲方柱或圓柱，每根長3.6米，直徑30釐米，柱和柱之間用三根鋼索連接，漂浮在海面，每十根柵欄系在一挺錨鏈上，深入海底。4日，伊東司令官下令夜襲灣內北洋艦隊，命令魚雷艇隊潛入灣內攻擊清艦。第一魚雷艇隊6艘、第二隊6艘、第三隊3艘參加作戰。5日凌晨3時20分，兩隊魚雷艇趁月光從被風浪破壞的鋼索柵欄縫隙中通過，其中3艘艇在港外受阻，通過失敗。進入灣內的魚雷艇被清軍發現，立刻遭到猛烈炮擊，致使2艇負傷，第三魚雷艇隊在猛烈炮火阻擊下衝入灣內，尋找停泊在灣內的清國軍艦。混亂中9號艇單獨冒進，隻身陷入清艦羣中也不知曉，猛然間在200米前方出現兩條鉅艦，艇長即刻命令發射魚雷2枚。暴露在探照燈下的9號艇的氣罐被清軍炮火命中負傷沉沒，同時8號艇、14號艇觸礁擱淺，艇員被救助撤退。夜襲戰中22號艇發射魚雷3枚、5號艇發射魚雷2枚、10號艇發射魚雷1枚。翌日清晨，日軍在陸上觀測到“定遠”艦中部大破仍然浮在海面，午後，定遠旗艦在淺灘擱淺，艦身已經進水傾斜，確認了前夜魚雷艇夜襲的戰果。6日凌晨4時，伊東司令官再次下達魚雷艇襲擊灣內清艦的命令，海面清軍探照燈交叉照射，偶爾發射冷炮警戒日艦偷襲。緊張情勢中，23號魚雷艇貿然撞向漂浮的木柱，無意中竟跳過浮材。隨後小鷹號、13號、11號艇也照樣越過柵欄潛入灣內，4艘魚雷艇擺出攻擊隊形向清艦衝去。在接近清艦400米時被清軍發現，立刻受到清軍各方向炮火的猛烈攻擊。日艦立即向清艦發射魚雷，23號艇發射2枚、小鷹號發射3枚、11號艇發射2枚，然後迅速從灣內退出返回陰山口。清晨，日軍偵查報告，北洋艦隊來遠、威遠、水雷敷設艇共三艦被魚雷擊沉，判明夜間襲擊取得成功。
2月7日，聯合艦隊派遣的炮械技師修復了趙北嘴、謝家所炮臺的重炮。上午7時30分，日軍陸上和海上同時向清軍發動總攻擊。聯合艦隊23艘軍艦一齊向日島和劉公島炮臺轟擊，守軍大炮和彈藥庫被彈爆炸。數日來一直威脅日軍的獨立於灣中的日島炮臺，在羣炮攻擊下沉默。炮擊戰中清軍9艘魚雷艇突然從港灣西口魚貫而出，在“吉野”等艦追擊圍堵下多數擱淺被俘，只有一艘成功逃走，北洋艦隊魚雷艇全部被殲。8日，聯合艦隊炮擊劉公島東南端炮臺，鹿角嘴炮臺炮擊劉公島西北端炮臺，南岸諸炮臺一齊向劉公島灣內開炮。北洋水師戰艦在灣內四處躲避，被動挨打全無招架之力，9時30分，靖遠艦中彈沉沒。10日，軍司令部收到最新情報，李鴻章部下張將軍率軍6,000正在趕往威海衛，山東巡撫李將軍率領步兵10,000、騎兵3,000、炮16門正在接近威海衛。伊東司令官命令，炮擊攻勢晝夜不得間斷，不給清軍以喘息之機。日軍強大攻勢下，迫使海陸清軍士氣完全喪失，內部上下發生嚴重的降敵騷動。
2月12日，清國水師派遣代表程璧光前往日艦交涉投降事宜，當夜水師提督丁汝昌、定遠艦管帶劉步蟾、劉公島陸兵指揮官張文宣先後自殺。13日、14日，兩軍代表繼續談判達成降服協議。17日，聯合艦隊伊東司令長官和清國威海衛道臺牛昶昞在《降服規約書》上簽字落印，清日雙方即日履行交接降艦和港口規約。日軍經由陸路釋放清軍降兵3,000名，經由海陸釋放降兵千餘人，其中包括清國海軍將校和僱用外國人等。至此威海衛保衛戰落下帷幕。
此役，日軍從側後登陸，成功地對威海衛實施水陸夾擊。清軍由於兵力單薄，陸海軍缺乏協同，北洋艦隊困守港內，終遭全殲。
