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面对新日本联合舰队的进攻，北洋水师苦苦的支撑。从上午10时，一直到激烈的炮战到下午的3时，北洋水师各舰轮番的在湾内的出海口抵挡，几乎各舰都受到重创。如果再持续下去，刘步蟾只得下令凿沉一些舰支，堵住入海口。
而从上午新日本联合舰队与北洋水师开战，南洋联合舰队即得知消息。但李德风一直不让南洋联合舰队出战，他派人观察着两支舰队的状况，他要等在北洋水师与新日本联合舰精疲力竭时，一举重击新日本联合舰队。
新日本联合舰队和北洋水师的战状非常激烈，北洋水师的抵抗力不仅出乎东乡平八郎的预料，也大大超过李德风的预期。李德风出战的时间一再的推迟，直到下午2时，他下令南洋联合舰队分成两部，一部台湾水师从南突袭，一部南洋水师从北突袭，两路同时夹击新日本联合舰队。
南洋联合舰队全速的从南北两个方向驶向济洲岛海域的战场。3时20分，北洋水师已无军舰可以在海上巡游，抵挡日本的战舰了，刘步蟾准备让致远舰、平远舰和济远舰自沉，堵住入海口。这个时候，新日本联合舰队后方却一片混乱，各舰纷纷想调头，不再顾及北洋水师了。
但此时已为时已晚，日本的军舰围攻北洋水师多时，损失也很大，各舰也是轮番上阵，军舰都集中到了这片海域。南洋联合舰队的南北夹击，使新日本联合舰队被夹在这片小海域中，而南洋联合舰队摆好阵形，新日本联合舰队只能想办法成两列冲击，但面积太小，极受鱼雷的攻击。
3时26分，北路的南洋水师都把战舰横向，所有的炮口对准日本的军舰，率先向新日本联合舰队开炮。
此时，受到北洋水师重创的纪伊号正好停在最后，它在艰难的进行转向，想调过头来。但南洋水师已不给它机会了，南洋的两艘装甲舰的巨炮都对准了纪伊号。12门210mm口径的巨炮不停的轰击纪伊号，而纪伊号正在转向，只能用2门90mm尾炮偶尔的反击。
南洋联合舰队在此地驻扎多次，早就标好的炮尺，只用了七分钟纪伊就受了十一枚炮弹重击，侧舷被打穿了两个洞，指挥塔被击毁，动力被击中一发。纪伊号几乎失去动力，船身也开始倾斜，此时等待纪伊号就是缓慢的下沉。
而同时，新日本联合舰队的军舰与南洋联合舰队的战舰也在撕杀。此时，新日本联合舰队训练不足，明显表现出来。军舰的转向中，各舰自行其事，有的向左转，有的向右转，海域又太小，各舰之间险象环生，甚至两艘两千吨级驱逐舰蹭在一起，一艘军舰的侧舷凹了一大片，另一艘直接撞出一个大洞。
日本军舰的混乱使其反击的力度更弱。南洋联合舰队不断的轰击日本军舰，几乎每一分钟都有两到三发击中日本军舰。而日本军舰击中南洋联合舰队的炮弹不到被击中的十分之二。此时，在湾内北洋水师见援军到来，士气大振，刘步蟾下令北洋水师不管战舰受损多大，只要能动，一律开到出海口向新日本联合舰队开炮。
新日本联合舰队被三面夹攻，各舰遭到沉重打击，东乡平八郎见此景知道自己是中了清国的计了。但此时已没有时间让他去想其它的，他必须想办法，能让新日本联合舰队的军舰多跑出一艘是一艘。但舰队这时根本就没有队形，而且南洋联合舰队的实力非常强大，靠这种好无章法的乱冲恐怕损失将无法估量。
东乡只好下令先让舰队整好队形，以长门号和武藏号为队首，各舰以两列队形冲向实力稍弱的北部南洋水师。
东乡的愿望是非常好，但是事实上，要在南洋联合舰队和北洋水师三面的轰击下完成队形是非常困难的。
南洋联合舰队有着很好的训练，对此地又非常熟悉，其炮击的命中率为百分之八。新日本联合舰队在整队的过程中，不断的遭在南洋联合舰队击中，一艘四千吨级的巡洋舰下沉，一艘三千吨级驱逐舰失去动力，一艘两千吨级驱逐下沉，一艘严重倾斜。而北洋水师也有战果，日本的一艘垫后四千吨级巡洋舰被直接击船的尾部的蒸汽机，动力全失。
待在新日本联合舰队整好队形，这个时候，日本已损失六艘军舰，而其它的多少都有被击中。
东乡平八郎已顾不得其它的了，他下令新日本联合舰队全速的冲向北部的南洋水师。南洋水师见新日本联合舰队冲来，拼命的开炮，台湾水师也逼近日本的军舰。
新日本联合舰队的冲到离南洋水师只有五海里了，南洋水师司令李尚高见如果再不让开，恐怕就要撞上了。他只好下令南洋水师让开海道，从侧面炮击日本军舰。
南洋水师侧向东南，再以横身与日本军舰对轰，双方的距离很近，南洋水师的巨炮都对准左面的武藏号不停轰击。武藏号本已伤痕累累，此时又被接连的击中七八发，船身被撕开了几个大口子，海水涌水船舱，船的速度一下就慢了下来。
而紧跟新日本联合舰队其后台湾水师呈四分之一弧形追击，新日本联合舰队后部的军舰遭到的攻击更猛。
到下午5时10分，新日本联合舰队终于冲出南洋联合舰队的包围。东乡平八郎回头一看，联合舰队的军舰只剩十四艘，有十一艘或沉没，或失去动力浮游在海面，等待它们也只是自沉或被俘。
新日本联合舰队虽然冲出了南洋联合舰队的包围但是南洋联合舰队还跟随其后追击，新日本联合舰队还不安全。此时，天色暗了下来，东乡平八郎希望在天黑之后南洋联合舰能停止追击。
但李德风和南洋联合舰队可不想放过新日本联合舰队，现在新日本联合舰队虽然冲出包围圈，但是日本的各军舰受损很大，此时要能追上一艘就能轻易击沉一艘。
天色渐渐黑了，但今晚的月光还是挺明亮的，而且军舰上的灯光也标出其位置。
南洋联合舰队对夜战并不陌生，其训练中就有夜战一科目。东乡平八郎见南洋联合舰在夜晚还不停止追击，而新日本联合舰队连正常的训练科目都没完成，对夜战根本就没训练过。对于如何打夜战，各舰的炮手根本也从做起。他只能下令让各舰全速的开向日本本土。
新日本联合舰队的军舰虽然新，船速快，但南洋联合舰队的船速也不慢，而且日本军舰的受到创伤，多少速度有所下降。到晚上7时，南洋联合舰队慢慢的赶上新日本联合舰队的后卫，一场海战即将再起。