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隔音岛海战之后，太平军日本海舰队回元山港休整。1894年12月22日，根据掌握的情报，刘步蟾率东海舰队、叶祖珪率渤海舰队、邓世昌率南海舰队直扑小乳纛岬锚地，海军司令部任命刘步蟾为前方总指挥、叶祖珪及邓世昌为副总指挥，指挥三支舰队协同作战。发现太平军舰队靠近，伊东佑享指挥所有日舰出港迎战。此时，太平军东海、渤海、南海舰队共有十一艘巡洋舰、十三艘驱逐舰、十三艘炮舰、二十艘鱼雷艇、三十一艘运输舰，日本联合舰队尚有“比叡”“金刚”二艘铁甲舰、“浪速”“高千穗”“千代田”“秋津洲”“筑紫”五艘新式巡洋舰、天龙、葛城、大和、武藏、大岛、摩耶、爱宕、鸟海、磐城、天城十艘等老式巡洋舰、十艘炮舰、十三艘鱼雷艇、近江丸、山城丸、玄海丸等三艘辅助舰、通报舰八重山，仍有相当实力。
1894年12月22日中午十二时，太平军东海舰队和渤海舰队先期抵达距小乳纛岬锚地五十里的深海处集结，等待南海舰队的到来。此时，日本伊东佑享海军中将以“秋津洲”为旗舰，指挥日军各舰排成单列纵队向太平军东海舰队和渤海舰队气势汹汹地猛扑而来。刘步蟾在旗舰“东来”号上打出列阵攻击的旗语，太平军所有舰队立即成双列纵队迎了上去。很快，海洋上炮声隆隆，硝烟弥漫。“东突”巡洋舰发现日方“金刚”铁甲舰行动迟缓，孤立在日舰之后，立即与同时发现这一现象的“渤容”巡洋舰、“容威”驱逐舰一起围攻“金刚”铁甲舰，“浪速”舰看到想去救援，却被“东勃”巡洋舰缠住对轰。“容威”驱逐舰一发300毫米炮弹击穿“金刚”铁甲舰左舷墙，接着“东突”、“渤容”的开花弹连续落到“金刚”铁甲舰上，燃起了熊熊大火。“浪速”与“东勃”对轰，两舰均燃起大火。三小时后，太平军“渤冲”巡洋舰、“勃达”驱逐舰、“高突”炮舰、“镇冲”炮舰、东四号鱼雷艇被击沉，其余各舰均带伤；日军“金刚”铁甲舰、“筑紫”巡洋舰、一艘炮舰、二艘鱼雷艇被击沉，其余各舰亦受不同程度的伤。渐渐地双方炮弹越打越少，正在这时，邓世昌率南海舰队赶来参战。
邓世昌观察了一回，发现“秋津洲”是日军旗舰，便下令南海舰队所有战斗舰只猛攻该舰。伊东佑享在“秋津洲”号上见这么多太平军舰船蜂拥而来，亡魂大冒，忙打旗语要求各舰向“秋津洲”号靠拢。日舰均舍弃对手向“秋津洲”号靠去，“比叡”、“鸟海”、“磐城”、“天城”四舰速度较慢，被太平军四艘巡洋舰、三艘驱逐舰、五艘炮舰、二艘鱼雷艇包围，“比叡”号中弹太多沉没，“鸟海”带伤逃往浅水区搁浅被俘，“磐城”带伤逃往浅水区触礁沉没，“天城”向“浪速”方向逃去，接果慌乱中误撞“浪速”，“浪速”在与“东勃”对轰时中弹引发大火，舰身本已倾斜，舰上官兵正在奋力扑救，被“天城”一撞，当即倾翻下沉。“天城”这一撞，一下停住，被附近东二号鱼雷艇逮住机会，一发鱼雷命中，舰底开个大洞，又被镇容炮舰数发炮弹命中，当即下沉。“高千穗”来援“秋津洲”，挡在邓世昌的旗舰“南烈”巡洋舰前，不防“烈威”驱逐舰从后赶来，一发300毫米炮弹正中主炮台，“高千穗”甲板上燃起大火，主炮台被毁，转舵逃离战场，却被高烈、镇来二艘炮舰挡住，一顿乱炮，“高千穗”沉入海底。“秋津洲”见势不妙，弹药也不多了，打出各自为战的旗语后，就在“爱宕”和一艘炮舰护卫下，冲出乱战圈子，向锚地驶去补充弹药。“千代田”见了旗语，也打出随我冲击的旗语，带着“天龙”、“葛城”、“大和“、“武藏”、“大岛”、“摩耶”六舰和八艘炮舰、十一艘鱼雷艇不顾太平军各舰猛烈的炮火，直向刘步蟾的旗舰“东来”冲去。刘步蟾忙令“东来”火力全开，且战且退，一时海面上出现“东来”和几艘炮舰在前跑，一群日舰在后追赶，日舰后一大批太平军舰船跟着打的景象。又打了一会儿，天已黄昏，日舰中老旧军舰“天龙”、“葛城”、“大和“、“武藏”、“大岛”、“摩耶”因舰艇陈旧，航速慢，逐渐落单被太平军各舰围攻沉没，鱼雷艇也被一一击沉，八艘炮舰有三艘丧失战斗力被俘，只有“千代田”和五艘炮舰还在一边放炮一边追赶“东来”舰。眼见天快黑了，跟着“东来”舰的“镇突”炮舰突然掉转头，迎向“千代田”放炮。“千代田”见状与旁边炮舰一起放炮将“镇突”炮舰击沉，就在攻击“镇突”炮舰这段时间，四处起火的“东来”舰已行远，后边太平军各舰开足马力已围了上来，二十多分钟后，天边最后一抹亮色消失黑暗降临的一瞬间，“千代田”弹仓被开花弹击中，引发大爆炸和冲天火光，五艘炮舰在火光辉映下被一一击沉。
1894年12月23日，小乳纛岬锚地，被太平军三大舰队围困的伊东佑享面色阴沉地将剩余舰船一一引爆自沉，带着剩余三千多人转身离开去找日本陆军去了。至此，日本联合舰队全军覆灭，日本彻底失去了海上控制权。