日軍在攻占旅大之后，準(zhǔn)備進(jìn)行威海衛(wèi)戰(zhàn)役，但由于威海衛(wèi)軍港正面設(shè)防十分堅(jiān)固，不易攻取，于是決定選擇清軍防御薄弱的榮成灣一帶登陸，從側(cè)后奪取威海衛(wèi)。而清軍方面，因遼東半島潰敗，清政府責(zé)怪李鴻章救援不力，下詔將其革職留任，命他親赴大沽、北塘等處巡視、布置。同時(shí)，把兵力多調(diào)到遼沈，而忽視山東半島。結(jié)果，京都多達(dá)200余營(yíng)，近10萬(wàn)人，而敵人進(jìn)攻重點(diǎn)山東半島僅40多個(gè)營(yíng)，不到2萬(wàn)人。特別是榮成方向，兵力最弱，僅4營(yíng)1400多人。鑒于威海衛(wèi)后路兵力單弱，守將戴宗騫曾經(jīng)向李鴻章建議采取“雖布近局、仍扼外險(xiǎn)，寧力戰(zhàn)圖存，勿坐以待困”的戰(zhàn)守之策，但李鴻章仍堅(jiān)持采取單純防御方針，使得陸岸守軍只好坐等敵人來(lái)攻，海軍艦只則被降為要塞的活動(dòng)炮臺(tái)或輔助炮臺(tái)，完全失去了艦隊(duì)所具有的機(jī)動(dòng)性能，為日軍全殲北洋艦隊(duì)提供了條件。

1895年2月2日，威海衛(wèi)失陷。統(tǒng)帥丁汝昌早已做好與北洋艦隊(duì)同存亡的準(zhǔn)備。豐島海戰(zhàn)后，他將兒子丁代禧留在身邊，兒媳張氏和孫子丁旭山送回原籍。臨行前他交代張氏：“我的生命已交給了國(guó)家，你一定要照看好我的孫子！”劉公島保衛(wèi)戰(zhàn)開(kāi)始后，丁汝昌向李鴻章表示：“唯有船沒(méi)人盡而已！”丁汝昌派人將鴉片送到船上，以備如果不能戰(zhàn)死就服毒自盡。為防止受傷軍艦落入敵手，丁汝昌用廣丙艦的魚(yú)雷炸沉了已擱淺的靖遠(yuǎn)艦，又在定遠(yuǎn)艦中部裝上火藥，將其炸毀。定遠(yuǎn)艦管帶劉步蟾吞鴉片自盡，實(shí)踐了“艦隊(duì)亡則人亡”的誓言。丁汝昌向廣大官兵許諾的最后一天終于來(lái)到了。傍晚，丁汝昌收到李鴻章的電報(bào)，上面寫(xiě)著“援兵無(wú)期”！

最后的希望破滅了。深夜時(shí)分，水陸兵民萬(wàn)余人向他哀求活命。丁汝昌嘆口氣，道：“與軍艦同生死是我的職責(zé)。但我的死可以救你們的命?！彼虼蠹野凳咀约核篮罂赏督等哲娨郧蠡盥?。并交代部下牛昶昞銷(xiāo)毀北洋水師的提督印。丁汝昌服下事先準(zhǔn)備好的鴉片，次日清晨氣絕身亡。

牛昶昞等推舉楊用霖出面與日軍接洽投降事宜。楊用霖當(dāng)場(chǎng)嚴(yán)詞拒絕，口誦“人生自古誰(shuí)無(wú)死，留取丹心照汗青”的詩(shī)句走入船艙，飲彈身亡。護(hù)軍統(tǒng)領(lǐng)張文宣同時(shí)自盡。美國(guó)人浩威建議以丁汝昌的名義投降，牛昶昞在投降書(shū)上蓋提督大印。幾人將責(zé)任推到丁汝昌身上。可憐丁汝昌死后蒙羞，家產(chǎn)全被沒(méi)收，子孫流離失所。直到宣統(tǒng)二年（1910年），在威海商民聯(lián)名提議下，方由袁世凱上奏為其平反昭雪。

北洋艦隊(duì)尚存的10艘艦船和劉公島各炮臺(tái)軍資器械，全部為日軍所擄。

1895年2月17日，日本艦隊(duì)徐徐駛?cè)胪８?。中?guó)鎮(zhèn)遠(yuǎn)、濟(jì)遠(yuǎn)、平遠(yuǎn)、廣丙、鎮(zhèn)東、鎮(zhèn)西、鎮(zhèn)南、鎮(zhèn)北、鎮(zhèn)中、鎮(zhèn)邊等10艘軍艦換升日本國(guó)旗。只有康濟(jì)艦仍懸掛黃龍旗，載送著丁汝昌、劉步蟾、楊用霖等6人的靈柩。下午1點(diǎn)，10艘中國(guó)軍艦全部編入日本艦隊(duì)。4點(diǎn)，康濟(jì)艦在汽笛的哀鳴聲中，冒著瀟瀟冷雨，凄然離開(kāi)威海。

至此，李鴻章經(jīng)營(yíng)了十多年的北洋海軍全軍覆沒(méi)了。此時(shí)，李鴻章也結(jié)束了權(quán)傾朝野的日子，不僅朝廷對(duì)他不再寵信，在文武百官以至百姓中，他也威信一落千丈。甲午戰(zhàn)爭(zhēng)，北洋海軍的全軍覆沒(méi)，是李鴻章大搞洋務(wù)的終點(diǎn)。

北洋海軍自1875年開(kāi)始籌建，1888年正式成軍，它不幸在第一次中日戰(zhàn)爭(zhēng)中為日本海軍完全摧毀，李鴻章的努力付之東流，同時(shí)也使中國(guó)喪失了制海權(quán)。北洋艦隊(duì)的毀滅，可以部分歸咎于清政府、李鴻章所采取的消極防御戰(zhàn)略，但北洋海軍本身存在的若干缺點(diǎn)也不容忽視。首先制度上含混不清：北洋海軍名義上隸屬于北京海軍衙門(mén)，但實(shí)際上卻歸李鴻章節(jié)制。李鴻章此時(shí)已成為全國(guó)督撫的領(lǐng)袖，集內(nèi)政、外交、洋務(wù)、海防于一身。在19世紀(jì)80年代末、90年代初，他忙于應(yīng)付每日遇到的政治問(wèn)題，以致不能對(duì)北洋海軍諸多問(wèn)題給予更多注意；其次，指揮系統(tǒng)不清：由于李鴻章未能經(jīng)常顧及海防，北洋海軍由丁汝昌負(fù)責(zé)。但丁汝昌未受過(guò)海軍正規(guī)訓(xùn)練，因此他常為部下所輕，他們大多數(shù)人是由中國(guó)水師學(xué)堂畢業(yè)。另外，北洋艦隊(duì)中的外籍軍官有的傲慢自負(fù)，要求過(guò)分。這些外國(guó)軍官和中國(guó)軍官之間關(guān)系緊張，時(shí)有沖突發(fā)生，它導(dǎo)致北洋海軍進(jìn)一步衰敗和腐化；第三，經(jīng)費(fèi)不足是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題：最初海防經(jīng)費(fèi)預(yù)算每年200萬(wàn)兩，但從未如數(shù)收齊。北洋海軍改隸于海軍衙門(mén)以后，艦隊(duì)每年預(yù)算減至不及130萬(wàn)兩。

最糟的是1891年4月，戶(hù)部建議停購(gòu)艦上大炮、裁減海軍人員。這些建議得到朝廷準(zhǔn)許。這使艦隊(duì)及其裝備的更新成為不可能。以上北洋海軍自身所存在的弱點(diǎn)以及甲午中日戰(zhàn)爭(zhēng)中李鴻章一貫主張“防御”的方針，導(dǎo)致了北洋艦隊(duì)在中日甲午戰(zhàn)爭(zhēng)中被日軍全部殲滅。