日本大本营对山东半岛的作战部署为海陆夹击北洋舰队。李鸿章在建设完各炮台之后，即调派绥、巩各4营分别驻守北帮炮台、南帮炮台，同时在刘松岛上驻扎北洋护军，并在海港东西两口布设防材各敷设**248颗。整个山东半岛大约有步兵40个营，骑兵8个营，**2个营，威海卫港内尚有北洋海军各种舰艇二十六艘。
1895年1月20日，大山岩大将指挥的日军第二军，包括佐久间左马太中将的第二师团和黑木为桢中的第六师团，共有两万五千人，在日舰的掩护下开始在荣成龙须岛登陆。同时日本联合舰队第一游击队在登州实行炮击，山东巡抚李秉衡由于弄不清日军究竟要在何处登陆，只好分兵把口时刻严防。2月3日，日军在荣成全部登陆完毕。26日，日军第二师团和第六师团分别从荣成出发，各由南北两路，分头向百尺崖所方向前进。在战斗中，清军赵埠嘴炮台击沉日舰一艘。30日，日军集中兵力进攻威海卫南帮炮台，驻守南帮炮台的清军仅六个营三千人，营官周家恩守卫摩天岭阵地顽强抵抗，最后被歼灭。日军左翼司令官大寺安纯少将被清军炮弹打死，这是日本在甲午战争中唯一阵亡的将军。左翼支队4个中队日军被迫退至冯家窝，由于兵力悬殊，南帮炮台最终被日军攻占。2月3日，日军占领威海卫城，威海陆地悉数被日军占据，丁汝昌坐镇指挥的刘松岛成为孤岛。日本联合舰队司令伊东祐亨曾致书丁汝昌劝降，遭到丁汝昌的拒绝。5日凌晨，旗舰定远舰中雷搁浅，乃做水炮台使用。10日，定远弹药告罄，刘步蟾自杀。11日，丁汝昌在洋员和威海营务处提调朱昶昞等主降将领的胁迫之下，拒绝自杀，洋员和朱昶昞等又推署镇远管带杨用霖，出面主持投降事宜，杨用霖最终自杀。12日，由美籍洋员浩威起草投降书，伪托丁汝昌的名义，派广丙管带程璧光送至日本旗舰。14日，朱昶昞与伊东祐亨签订《威海降约》，规定威海卫港内船只，刘松岛炮台上所有的军械物资，悉数交给日本。1895年3月17日，日军在刘松岛登陆，威海卫海军基地陷落，北洋舰队全军覆没。
日本虽然在战场连战连捷，但是毕竟国力有限，战争带来的巨大的消耗进一步加重了日本普通国民的负担。自1894年底以来，日本不少地方都爆发了农民暴动，社会动荡不安，所以日本首相伊藤博文于2月2日向清**提出和谈的要求，但日方指定李鸿章充全权代表，并向清**提出，必须以割地赔款为议和条件，否则无需派代表来日本。清**十分害怕战争继续下去，为了求得停战
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