1894年12月7日，联合舰队司令官和第二军司令官给大本营发出联名电报：“期待的直隶作战，因为天气原因出现诸多困难。目前金州半岛的气温已经降到零下七、八度，人马冻死者不断。直隶地方的寒冷超出了预期估计，现在即使是晴朗天气，结冻的渤海湾和刺骨寒风也不适宜登陆作战。大本营如果希望继续实施作战计划，可以先发兵山东半岛，海陆两军合力夹击北洋水师，全歼清国海上军力乃上策。”伊藤首相不扩大战争的意见和军方作战的实际态势不谋而合，大本营下达侦查威海卫作战条件的命令，同时发布了进攻山东半岛的军事动员令。
清军在山东半岛防御
清日两国开战初期，山东省驻在的清军兵力，步兵约40营、骑兵8营、水雷营2营。具体配属，威海卫附近，绥字军4营、巩字军4营、水雷营2营;刘公岛北洋护卫军2营;芝罘嵩武军4营;登州嵩武军1营，登营练军2营;胶州湾附近嵩武军5营、青州驻防步队1营、马队1营;济南地方嵩武军4营，济字前营1营、泰靖营2营、靖健营2营、抚济营马队1营、武定附近经健营1营;衮州地方济字营2营、刑字营1营、经健营马队1营，衮州所在马队1营、济字营1营;曹州地方山东步队练军3营、济字营马队1营、松字营马队1营;沂州附近新健营马队1营。山东巡抚福润为加强防卫向朝廷请求，又获得4个炮兵营、大炮36门的编制。威海卫军港的防卫由统领道员戴宗骞负责，率4个营防守北岸;总兵刘超佩率巩字军4个营守卫南岸;总兵张文宣率2个营担任军港防务守护刘公岛。上述各建制均直属北洋大臣李鸿章指挥。
1894年7月，朝鲜战事爆发，提督叶志超请求援军时，李鸿章衣抽调威海卫绥、巩两军1,000人步队增援，被威海卫陆军统领戴宗骞拒绝。为加强威海卫防务，巡抚福润向朝廷征得募兵许可，征募新兵步队4营，并在沿海十余州县张榜檄文，组织渔民团警备海岸。9月平壤陷落、黄海海战战败，清国对山东防区的防卫兼顾不暇，把准备驻屯威海卫的湖南巡抚吴大澂率领的4个湘军营调往山海关。9月下旬，福润的后任李秉衡受命率曹州地方步队4营、马队2营驻防天津。11月中旬，驻防威海卫的绥、巩两军听说鸭绿江、金州陆续失陷的消息，斗志沮丧、军纪混乱。绥字军三营兵勇，因军饷和给养问题引发烧乱险些酿成军变。戴宗骞唯恐闹事波及其他军营，千方百计调来军饷，先期支付军粮军饷，同时制定悬赏规则安抚兵心，把事件平息了下去。12月7日李鸿章电报，要求威海卫诸将构筑御敌工事，请求军务处调集湖北的凯字军增援。由于清军连败的消息传遍山东各地，李秉衡募集新兵的工作遇到困难，自愿应募者非常少。戴宗骞在军港北岸、柏顶炮台、田村附近增添20门大炮加强防御力量，而荣城方面的防御却没有引起足够的重视。日本军舰连日来进入荣城湾龙睡澳一带侦查登陆地点，暴露了日军登陆作战的企图。李秉衡命令济字右营、靖健前营、泰靖左营、河成左营在荣城和里岛一带布防，防止日军在该地点登陆。
日军在山东半岛攻势
12月16日，大本营任命大山第二军司令官为山东战区长官，广岛待命的第二师团和警备九州的第六师团的半个师团编入第二军，担任威海卫作战任务。联合舰队司令官负责护送第二军兵团登陆和摧毁清国舰队。为了保证舰船的作战效能，舰底部必须定期去除贝壳等杂物，换漆维修。伊东司令官决定联合舰队诸舰一面监视清国舰队，一面轮换返回国内船坞维修作业，同时抢修遭到清军破坏漏水的旅顺港船坞，命令舰队必须在12月末完成战斗集结准备。12月22日至26日，陆军和海军各派遣将校参谋团，乘“高千穗”舰进入荣城湾的龙睡澳周边，侦查测量登陆地形，调查作战条件。结果发现登陆地龙睡澳不同于花园口，无法通行车辆，请求大本营征用军夫，并增添大量登陆物资。根据山东半岛的地形，陆军参谋建议增加两个9厘米臼炮中队。28日侦查探知，山东省全域驻屯的清军兵力增加到54营17,195人，其中威海卫和刘公岛10营、周边8营，合计7,711人。芝罘防御兵力5营2,524人，而且山东各地的清军仍然继续向威海卫一线集结。
1895年1月16日，日军第二师团和第六师团陆续抵达旅顺半岛，山东半岛作战部队的征前准备就绪。输送第二、第六师团前往威海卫，由44艘舰船分三次完成。16日，联合舰队派遣“八重山”、“爱宕”、“摩耶”、“磐城”舰，搭乘海军陆战队和第一野战电信队，于凌晨4时提前进入龙睡澳湾内，换乘3艘小艇登岸执行侦察敌请和切断清军电报线的任务。6时40分，小分队到达落凤岗村西北约400米湾头，突然遭到陆上数队清军的色击，小分队立即施放撤退信号弹紧急退回舰上。日舰向清军阵地开炮，清军兵勇三三两两从阵地TUO逃。陆战队再次登陆落凤岗村，清军稍作抵抗便丢弃阵地向玉皇庙方向逃去，附近友军见落凤岗村的守军败退也弃阵而逃。7时许，海军陆战队占领了落凤岗村，电信队占领了成山角灯台和电信局。8时，输送船队陆续驶入龙睡澳湾，联合舰队在湾外警戒，陆军开始登陆作业。上午9时，威海卫下起大雪，道路被雪覆盖。傍晚时分，强风席卷雪花，直到晚上9时左右部队才到达荣城。26日，主力部队按原定方案分三次海上输送，完成了荣城湾的登陆计划。
威海卫陆战
1月25日，第二军司令官上陆进入荣城县，26日下达进攻威海卫的命令。但雪地行军，部队行动缓慢，辎重运输尤为困难重重。次日黎明，北阜和孟家庄附近高地的清军炮兵，向占领牙格庄的日军前卫部队猛烈炮击。日军二大队反击，清军一时向西面退却。午后，清军大部队袭来，倚仗猛烈炮火支援，步兵1,200人挥舞大旗在锣鼓声的壮势下，向北阜十家河日军阵地杀去。另约300步兵进攻孟家庄至福禄庄之间的高地，又数百步兵向孟家庄北侧高地迂回。此时天降大雪，清日双方展开了机烈的阵地抢炮战。进攻的清兵在雪地里身影暴露无法隐藏，有助日军照准色击，迫使清军退却。28日，日军向前推进，左纵队和右纵队分别占领鲍家村、江家口，后续增援大队也相继到达。29日，日军侦查报告，清军在温泉汤西北高地和百尺崖西南高地设有布防。30日上午7时，日军右翼部队向杨峰岭炮台炮击，大寺少将左翼部队进攻清军摩天岭炮台，遭到清军炮台重炮反击，炮弹在双方阵地隆隆爆炸。可是清军大炮的弹着点大部越过日军序列落在后方，伤敌率微乎其微。8时25分，左翼部队向摩天岭炮台和西方堡垒发起冲锋，清兵奋力色击抵抗，港内清军炮舰和日岛炮台也集中火力猛烈轰击。日军进攻受挫折，士兵死伤数上升，大寺少将被清舰弹片命中负伤，2月9日不治而死。日军工兵冒死冲入炮台近前，用炸要炸开炮台一角突入炮台，清军阵营大乱，兵勇纷纷向杨峰岭炮台方向逃去。8时30分，日军占领摩天岭炮台，9时30分，占领鹿角嘴和龙庙嘴炮台。日军炮兵用缴获清军炮台的大炮轰击杨峰岭炮台，炮台火要库被命中发生大爆炸，守兵顿时大乱，向凤林集北方海岸逃走。日军追赶清溃逃兵，北洋战舰急速驶近岸边炮击日军追兵，迫其退回凤林集。12时20分，日军右翼部队先后占领杨峰岭、赵北嘴炮台和巩军右营。左纵队与虎山北高地清军交战，占领了凤林集东南一线阵地和南岸堡垒群阵地，当日战斗中日军阵亡25人。
清军南岸堡垒群阵地，正面配备重炮4门、轻炮28门、步兵4营;侧翼凤林集东南一线高地的南北虎口和虎山，配置步兵4营、野炮3门、山炮10门。在海岸炮台、日岛炮台、刘公岛炮台、北洋战舰的炮火轰击下，清军给日军造成较大伤亡。清军虽然占有优势地形，可是兵勇御敌胆怯，斗志低下，终于不敌日军攻势。清兵丢弃南岸附近堡垒群阵地逃走，日军趁势占领了保卫北洋军港的南岸防御阵地。南岸攻坚战，日军战死54人、负伤152人。清军死伤确切数字不明，第六师团清理战场时，埋葬清兵尸体740具，其他部队清理数不详。消耗榴弹245发、榴霰弹1,074发，步抢子弹84,483发。缴获清军装备，山炮13门、南岸堡垒群阵地和大量遗弃的抢支弹要。
清军南岸防线阵地的丢失给北洋水师带来极大威胁，清舰完全暴露在被日军占领的炮台阵地色程之内。清军日岛、刘公岛、北岸诸炮台进入最高警戒状态，一旦日军部队靠近海面立即炮击。30日晚8时，大山第二司令官下达攻击准备命令，第二师团前卫于31日上午8时从宋家洼出发，在长峰寨西方高地附近击退了清军守军。31日夜，司令官下达翌日向羊亭集和曲家河进军的命令，2月1日，羊亭集附近日军与孙家滩至港南村一线清军交火，清军6门大炮轰击日军，陷阵的日军9人战死。日兵冒死接近清军阵地，大炮失去了攻击力，清军见突至近前的日军，立即退出阵地向芝罘方向遁逃，羊亭集被日军占领。
2日凌晨2时，第二师团从羊亭集出发，奇袭威海卫，到达田村东北高地清军堡垒群时，清军已经弃阵逃跑，空无一人，9时30分，日军在无任何抵抗下进入了威海卫重镇。威海卫的失陷使清军舰队一侧完全暴露在日军攻击的视野之下，深处危机的清舰频频接近岸边，用舰炮阻击日军占领威海卫城。10时30分，前卫司令官贞爱亲王命令向北面纵深方向移动，占领北岸全部炮台，扫清护卫清舰队的所有陆上障碍。1时50分，日军从黄家沟北海岸迂回至北岸诸炮台附近，发现炮台清军已经逃走不知去向，日军占领神道口新兵营、九峰顶炮台、遥瞭墩炮台。晚8时，日军又攻取北山嘴炮台、柏顶炮台。至此，威海卫陆岸防线彻底崩溃。
1月20日清晨，驻防威海卫的清军报告，日军在荣城湾大举登陆，已经占领了成山角灯台和电报局。朝廷此时才恍然大悟，后悔无谋抽调兵力北上忽略了山东防务。朝廷下令遣清江驻军李占春15营、徐州陈凤楼5营、沂州丁槐5营急速赶往威海卫救援。24日，丁汝昌视察南北炮台防务，发现日岛炮台甚至没有配置指挥官，海岸炮台守军只有重炮没有配备抢支，敌陆军若进攻炮台根本无法自卫防身。一旦炮台落入敌手，大炮就会变成敌军攻击北洋舰队的武器。丁汝昌与刘超佩商议，先把龙庙嘴炮台大炮的闭锁器卸下隐藏起来，即使日军夺取炮台也无法利用这些大炮。陆军总指挥官戴宗骞得知此事勃然大怒，25日命令将闭锁器恢复炮身，同时给李鸿章发电报，状告丁汝昌无根无据擅自行事，要求今后陆地上的防御，北洋水师一律不得干涉。26日，桥头集陆续集结的清军达14营，与不断登陆增强的日军形成对垒态势。驻扎在酒馆集驻在的孙万林率三个营向桥头集进发，绥军刘树德率三个营侧援，南岸堡垒群守卫巩军三个营沿荣城海岸北路后进，驻守芝罘的总兵孙金彪率嵩武军的福字营、东字营前往宁海方向阻击登岸之敌。孙万林组织大队向日军发动两次进攻，每次前面的兵勇被击退，后面大队就即刻溃散，无奈大队只能返回防御阵地。27日，孙万林得知刘树德前夜遁退温泉汤，阎得胜部也退往草庙集，陷入孤立的孙万林战意顿失，率队撤离阵地而去。30日，日军南北两路夹击南岸堡垒阵地，戴宗骞、李秉衡弱气抗敌，龙庙嘴、鹿角嘴炮台相继失陷，戴、李二人逃往北岸炮台。结果丁汝昌担心的事请最终发生，炮台阵地的一些大炮闭锁器因来不及拆卸藏匿，成为日军毁灭北洋水师的利器。
港湾攻坚战
威海卫失陷，日军占领了港湾周边炮台。北洋舰队尽管冒险接近岸边，用舰炮攻击日军支援陆军作战，可是保卫舰队的防军丢下北洋舰队纷纷向芝罘方面遁逃。日军威海卫陆地作战的同时，联合舰队的舰炮火力猛烈轰击清军南岸炮台阵地支援地面攻势，战舰在港外配置围堵阵势，防止清舰夺路逃走。联合舰队担心北洋舰队一旦逃走与南洋舰队会合，仍将会成为日本舰队的心腹大患。2月1日，天气恶化，暴风雨和冰雪使甲板和大炮结冰，战舰失去了正常的战斗机能。2日，天气恢复平静，战舰稍微接近港湾就会立即遭到清军舰队、日岛、刘公岛炮台的猛烈轰击。大山司令官决定用缴获的清军炮台大炮攻击清舰，但是许多炮械在清军逃跑时被破坏，大山请求海军派炮械师急速前来，协助修复炮具。
2月3日晨，伊东司令官率领联合舰队进入威海卫军港东口附近，被设置在湾外的钢索栅栏挡住通路。栅栏为方柱或圆柱，每根长3.6米，直径30厘米，柱和柱之间用三根钢索连接，漂浮在海面，每十根栅栏系在一挺锚链上，深入海底。4日，伊东司令官下令夜袭湾内北洋舰队，命令鱼雷艇队潜入湾内攻击清舰。第一鱼雷艇队6艘、第二队6艘、第三队3艘参加作战。5日凌晨3时20分，两队鱼雷艇趁月光从被风浪破坏的钢索栅栏缝隙中通过，其中3艘艇在港外受阻，通过失败。进入湾内的鱼雷艇被清军发现，立刻遭到猛烈炮击，致使2艇负伤，第三鱼雷艇队在猛烈炮火阻击下冲入湾内，寻找停泊在湾内的清国军舰。混乱中9号艇单独冒进，只身陷入清舰群中也不知晓，猛然间在200米前方出现两条巨舰，艇长即刻命令发色鱼雷2枚。暴露在探照灯下的9号艇的气罐被清军炮火命中负伤沉没，同时8号艇、14号艇触礁搁浅，艇员被救助撤退。夜袭战中22号艇发色鱼雷3枚、5号艇发色鱼雷2枚、10号艇发色鱼雷1枚。翌日清晨，日军在陆上观测到“定远”舰中部大破仍然浮在海面，午后，定远旗舰在浅滩搁浅，舰身已经进水倾斜，确认了前夜鱼雷艇夜袭的战果。6日凌晨4时，伊东司令官再次下达鱼雷艇袭击湾内清舰的命令，海面清军探照灯交叉照色，偶尔发色冷炮警戒日舰偷袭。紧张请势中，23号鱼雷艇贸然撞向漂浮的木柱，无意中竟跳过浮材。随后小鹰号、13号、11号艇也照样越过栅栏潜入湾内，4艘鱼雷艇摆出攻击队形向清舰冲去。在接近清舰400米时被清军发现，立刻受到清军各方向炮火的猛烈攻击。日舰立即向清舰发色鱼雷，23号艇发色2枚、小鹰号发色3枚、11号艇发色2枚，然后迅速从湾内退出返回音山口。清晨，日军侦查报告，北洋舰队来远、威远、水雷敷设艇共三舰被鱼雷击沉，判明夜间袭击取得成功。
2月7日，联合舰队派遣的炮械技师修复了赵北嘴、谢家所炮台的重炮。上午7时30分，日军陆上和海上同时向清军发动总攻击。联合舰队23艘军舰一齐向日岛和刘公岛炮台轰击，守军大炮和弹要库被弹爆炸。数日来一直威胁日军的独立于湾中的日岛炮台，在群炮攻击下沉默。炮击战中清军9艘鱼雷艇突然从港湾西口鱼贯而出，在“吉野”等舰追击围堵下多数搁浅被俘，只有一艘成功逃走，北洋舰队鱼雷艇全部被歼。8日，联合舰队炮击刘公岛东南端炮台，鹿角嘴炮台炮击刘公岛西北端炮台，南岸诸炮台一齐向刘公岛湾内开炮。北洋水师战舰在湾内四处躲避，被动挨打全无招架之力，9时30分，靖远舰中弹沉没。10日，军司令部收到最新请报，李鸿章部下张将军率军6,000正在赶往威海卫，山东巡抚李将军率领步兵10,000、骑兵3,000、炮16门正在接近威海卫。伊东司令官命令，炮击攻势昼夜不得间断，不给清军以喘息之机。日军强大攻势下，迫使海陆清军士气完全丧失，内部上下发生严重的降敌烧动。
2月12日，清国水师派遣代表程璧光前往日舰交涉投降事宜，当夜水师提督丁汝昌、定远舰管带刘步蟾、刘公岛陆兵指挥官张文宣先后自杀。13日、14日，两军代表继续谈判达成降服协议。17日，联合舰队伊东司令长官和清国威海卫道台牛昶昞在《降服规约书》上签字落印，清日双方即日履行交接降舰和港口规约。日军经由陆路释放清军降兵3,000名，经由海陆释放降兵千余人，其中包括清国海军将校和雇用外国人等。至此威海卫保卫战落下帷幕。
此役，日军从侧后登陆，成功地对威海卫实施水陆夹击。清军由于兵力单薄，陆海军缺乏协同，北洋舰队困守港内，终遭全歼。
