7时45分，第一游击队靠近济远舰、广乙舰和威远舰，吉野舰舰长坪井航三下战斗命令：“诸君，为了大日本帝国！为了天皇陛下！向大清的军舰——开炮！”第一游击队旗舰吉野号首先开炮，随即秋津洲号和浪速号也向北洋水师的军舰开炮。
而北洋水师这边的济远舰，排水量2440吨，舰长71.93米、宽10.36米、吃水5.18米，最大载煤400吨，动力为2座蒸汽机，4座圆式燃煤锅炉，双轴推进，主机功率2 匹马力，航速16.5节。
水线穹甲由25毫米到50毫米铁质装甲层复合而成，主炮露炮台装甲厚254毫米，炮罩及司令塔装甲厚38毫米。装备了双联装210毫米克虏伯前主炮1座，克虏伯150毫米后主炮1门，47毫米哈乞开斯单管速射炮2门，37毫米哈乞开斯单管炮9门、金陵机器局造铜炮4门、500毫米鱼雷发射管4具。
广乙舰，排水量1000吨，船长71.63米、宽8.23米、吃水3.96米，航速16.5节。装备了虏伯120毫米炮3门，47毫米哈乞开斯速射炮4门，37毫米5管哈乞开斯机关炮4门，600毫米鱼雷发射管4具。
木壳训练舰排水量1250吨的威远号，航速16节，只有新安装的4门105毫米速射炮。
除了济远舰还有些战斗力和日军3艘军舰一拼，广乙和威远两舰相比3艘日舰却显得十分弱小。
方伯谦看到日本军舰向自己开炮，马上命令道：“各舰开炮还击，集中炮火先打吉野号！”然后方伯谦犹豫了一下又命令道：“用电台给威海卫发报，告诉提督大人，我济远、广乙、威远3舰在丰岛海域遭遇日本海军吉野、浪速、秋津洲3舰，日本军舰不宣而战，向我3舰开炮！虽敌我力量悬殊，但吾决议迎战日舰，不坠我北洋水师之名头！”
林大鑫从现代时空运来的电台都是短波电台，丰岛海域距离威海卫也不算近，方伯谦也不知道威海卫的提督府能不能收到自己的电报。就是收到了电报，也应该来不及派援军，方伯谦只是尽人事听天命而已。
但是方伯谦在从威海卫出发的时候，林大鑫找到他，说如果在海上遇到日舰偷袭，一定要用电台给威海卫发电报，不要管距离！林大鑫告诉方伯谦，很可能出现奇迹！所以方伯谦犹豫了一下，还是给威海卫发了电报！
方伯谦下完命令后，3艘北洋水师的军舰随后还击，向日本3艘军舰开炮！
北洋水师3艘军舰与日本联合舰队第一游击队展开激烈炮战。
日本军舰在吨位、火炮、时速方面，较北洋水师的3艘军舰占较大优势。但是首先命中目标的确是北洋水师的木壳训练舰威远号，威远舰舰首的一门105毫米速射炮的炮弹首先命中了吉野舰的侧舷，正中了一门120毫米速射炮，造成了这门速射炮损坏，5名日军死亡，3人受重伤。
刚刚首开纪录的威远号上面的北洋水师官兵还在欢呼，就马上被一发炮弹打断了欢呼声！威远号左舷被浪速号的150毫米速射炮的炮弹击中，不但引起了大火，也使威远舰的左舷开始渗水，虽然威远舰的官兵扑灭了大火，但是威远舰已经渗水严重，发生了倾斜，基本失去了战斗力，退出了战斗。
福无双至祸不单行，不久福建船政局自制炮舰广乙也被吉野舰的舰炮连续击中，船身倾斜，于是退出战斗。
方伯谦一看己方两艘军舰的情况，长长叹了一口气，命令广乙和威远向海岸方向撤退，而方伯谦则指挥济远舰继续向日舰开炮！
济远舰以一敌三，虽然也击中日舰多发炮弹，但是济远舰自己中的炮弹更多，船上伤亡20余人，方伯谦看到广乙和威远已经没有了身影，就下令济远舰向西撤退，并且边撤边用舰尾150毫米的舰炮继续向追击的日舰开炮。
让方伯谦郁闷万分的是，在撤退中，竟然遇到了载有增援朝鲜的1000多淮军精锐的高升号商轮，和满载军械物资饷银的北洋水师通讯舰操江舰驶来。
日军三舰见高升号与操江舰，立即以浪速舰拦截高升号，并命令高升号停船接受日军检查。以秋津洲舰拦截操江舰，同样要求操江号停船接受日军检查。
其实日军早就通过大清国内的日本间谍，知道了运送清朝1000多淮军精锐的高升号，和运送军械物资饷银的操江号。
日本联合舰队的第一游击3艘日舰，同样也接到了寻找高升号和操江号的命令。并且日本联合舰队司令官伊东佑亨下了命令，如果遇到高升号和操江号，两舰不肯投降，可以击沉两舰。
济远舰方伯谦看到这种情况，骑虎难下，自己如果继续撤退，航速慢的高升号和操江号必难以逃脱。而自己如果指挥济远舰再次迎战日本的3艘军舰，自己的济远舰必难逃船沉人亡的结果。