七月初一，清政府宣布对日作战。
八月十六日，日军分四路进攻平壤，清军分路迎敌。马玉昆在大同江东面击退了日军的进攻，卫汝贵在平壤城西阻止了日军进攻。守卫北门（玄武门）的左宝贵登城指挥，不幸中炮牺牲。担任总指挥的叶志超在事仍有可为的情况下再次率先逃跑，军心大乱，十七日平壤陷落。途中他拒绝聂士成“扼守安洲，深沟固垒以待”的建议，不顾一切狂奔，八月二十二日叶志超逃回国内。
八月十八日上午，载送援兵至朝鲜大东沟准备返航旅顺的北海舰队10艘，在黄海遇上一字形日本舰队12艘。日舰不仅舰多，而且吨位大，速度快，速射炮多。提督丁汝昌命令队舰马上成犄角迎战，“定远”、“镇远”两舰居中。日舰绕开“定远”、“镇远”两舰，向较弱的右翼的“扬威”、“超勇”两舰进攻。两舰中炮沉没。丁汝昌所在的指挥舰“定远”舰中弹，丁汝昌受伤，改由管带刘步蟾指挥。“定远”等轰击敌舰“赤诚”、“比睿”，两舰被迫退出战阵。下午，日舰首尾攻击北洋舰队，船体受伤，弹药将尽的“致远”猛衝迎面开来的敌舰“吉野”，但被“吉野”施放的鱼雷击中。全舰200多官兵除16人得救外，都壮烈牺牲。管带邓世昌落水后被他的太阳犬衔住，使不下沉。誓与军舰共存亡的邓世昌将爱犬按入水中，一起殉难。“经远”舰中炮，200多人牺牲。“镇远”（管带林泰曾）击中敌指挥舰，丧失作战与指挥能力。北洋舰队在黄海之战中绝大多数指战员表现出英勇顽强，不怕牺牲的精神，但也有个别贪生怕死者。“济远”舰管带方伯谦与“广甲”舰管带吴敬荣临阵脱逃。
黄海之战，双方都有损失：北洋舰队损失4舰，日舰重伤5舰。
以上为战争的第一阶段。第二阶段在辽东半岛进行。侵朝日军分两路进攻中国。第一路由司令官山县有朋率领于九月二十六日从朝鲜的义州出发突过鸭绿江防线，二十八日占领九连城、安东。第二路由司令官大山岩率领下，由日舰队护送，于花园口登陆，于十月九日占领金州。翌日，进攻大连。守将赵怀业逃走，日军轻易占领了大连。接着进攻北洋海军基地所在地旅顺。旅顺设有海、陆炮台50多座，万余人驻守。但统帅龚照屿与其他将领同样逃走，只有总兵徐邦道一人率军抵抗，毕竟寡不敌众。十月二十六日，旅顺落于日军之手。
以上为第二阶段。第三阶段在山东半岛与辽东半岛进行。
清政府于十一月二十四日把媾和的打算通知日本，然而，日本不肯。它们要消灭北洋舰队。
黄海海战后，中国海军本可重整旗鼓，与日本再决雌雄，但北洋大臣李鸿章为保存实力，令北洋舰队躲入威海卫港内。后来在光绪二十一（1895）元月，日本派20000人在山东荣成湾登陆，包抄威海卫后路。日军从南帮炮台轰击北洋诸舰，并以鱼雷入口狙击。“定远”中鱼雷沉没，“来远”、“威远”、“靖远”相继沉没。北洋鱼雷艇12艘出口逃遁，全部被俘。诸洋员要求投降。刘步蟾自杀，丁汝昌与刘公岛守将总兵张文宣也服毒自杀。营务处道员牛昶炳召集诸将及洋员商议投降。最后在降书上盖上丁汝昌之印，悬白旗向日本投降。至此花费巨额白银经营10余年的北洋海军全军覆没。
日军在进攻威海卫的同时，又大举进攻辽东。鑑于淮军将领作战指挥多次失败，清政府改派两江总督刘坤一为钦差大臣，督办辽东事务，湖南巡抚吴大澄与四川提督宋庆为帮办，率湘军6万出关与日军作战，均告失败。三月，日军相继攻陷了牛庄、营口与田庄台。
就在辽东之战进行之时，清政府就决定不惜一切代价议和。一月清政府派户部侍郎张荫桓、湖南巡抚邵友濂为全权大臣，聘请美国国务卿科士达为顾问，到日本求和。日本为了歼灭全部北洋海军，拒绝和谈，斥责张、邵二人“全权不足”。北洋海军全军覆没后，改派李鸿章为“头等全权大臣”，与科士达同去，与日本首相伊藤博文，外相陆奥光及美国顾问端迪臣在马关春帆楼谈判。在日本淫威胁迫下，李鸿章接受了日本全部无理要求，签订了《马关条约》，共11款，主要内容为：一、清政府承认日本对朝鲜的控制；二、中国割让辽东半岛、台湾、澎湖列岛给日本；三、赔偿日本军费白银2亿两；四、开放沙市、重庆、苏州、杭州为通商口岸；五、允许日本在通商口岸设厂。
甲午战争中失败，被迫签订《马关条约》，给中国造成了巨大危害，是中国的浩劫，加深了中国半殖民地的程度，中国被帝国主义宰割进一步加深，但这也唤醒了一些有识之士，中国必须图强。康有为为首的进步知识分子发起的戊戌变法，就是在《马关条约》签订之后。
台湾保卫战
当《马关条约》约定将台湾割让给日本的条款传出后，全国愤怒，康有为率领1300多名在北京应试的举人上书，要求拒和、迁都、变法。清政府一些要员如张之洞等也都认为割地万不可行。台湾人民对于割台无不惊骇、痛哭、愤怒。台湾军民同仇敌忾，以自己的鲜血和生命为抵制割让台湾给日本进行了不屈不挠的斗争。