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19日（十二月二十四日）凌晨，高千穗驶往威海卫，侦察北洋海军动向。正午，山东作战军乘50余艘运输船，分三批自大连湾驰往荣成湾。联合舰队提供护航和登陆火力支援。13时，高千穗确认北洋海军仍在威海卫港内。13时45分、14时30分，吉野等三舰又连续炮击登州。晚11时，第一游击队四舰抵达荣成湾登陆场。[46]
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20日（十二月二十五日），山东作战军在荣成湾登陆，（参阅本章附录三）24日登陆完毕。整个登陆行动没有遇到清军的任何反击。
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22日（十二月二十七日），清军第二次反攻海城失败。
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23日（十二月二十八日），据戴宗骞汇报，威海卫守军步枪子弹存量平均每枪仅400发，行营炮弹总计只有4 000发。[47]
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山东半岛清军布防图
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来源：《甲午战争史》。
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威海清军兵备示意图
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来源：《甲午战争史》。
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29日（正月初四），日军抵达威海卫附近。
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30日（正月初五），日陆军开始攻击威海卫。[48]同日，清军击退联合舰队的第一次进攻。伊东祐亨决定以鱼雷艇夜袭的战术打击北洋海军。[49]（详情参阅本章附录四）凌晨2时，张荫桓、邵友濂在神户登岸。[50]
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31日（正月初六），受风暴和气温骤降的影响，联合舰队的第二轮进攻被延迟。[51]张荫桓、邵友濂抵达广岛。[52]明治天皇任命伊藤博文、陆奥宗光为全权大臣，并与张、邵约定次日会商。[53]
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2月1日（正月初七），威海卫陆地炮台全部失守，电报断绝。[54]戴宗骞及最后一批守军被海军接往刘公岛。北洋海军陷入日军陆海夹击之中，只有依托刘公岛、日岛炮台，做最后抵抗。当晚，戴宗骞自杀。[55]在广岛，日方按照伊藤、陆奥事先商定的策略，以张、邵不具备全权资格为由，拒绝与之谈判。[56]
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2日（正月初八），军机处指示：如威海北帮炮台亦失守，则“丁汝昌当照前誓死拼战，船沉人尽之议，不可稍有退诿；或带船出口，尽力轰击，却回敌船，则我船之进退自裕。总之，无论如何危急必不使我船为彼所得，是为至要。”[57]等于是令北洋海军做玉碎准备。
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3日（正月初九），清军击退联合舰队的第二次进攻。日陆军开始利用岸上炮台轰击北洋海军，但未能取得战果。
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4日（正月初十），张、邵被迫离开广岛，退回神户待命。清廷仍想委曲求全，和日本迅速达成和议。但日方显然不会在此时议和停战。
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5日（正月十一日）凌晨3时20分，日军第二鱼雷艇队的6艘鱼雷艇和第三鱼雷艇队的4艘鱼雷艇，潜入威海卫军港，取得了重创定远、使之搁浅的重大战果。日军仅损失两艘鱼雷艇。天明后，清军击退联合舰队的第三次进攻。
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6日（正月十二日）凌晨3时20分，日军第一鱼雷艇队的4艘鱼雷艇再度潜入威海卫军港，击沉了巡洋舰来远、练习舰威远、布雷舰宝筏。日军鱼雷艇无一损失。当天下午，清军击退联合舰队的第四次进攻。
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7日（正月十三日），清军击退联合舰队的第五次进攻。中方鱼雷艇部队出港攻击日军，但刚一出港就被日军发现，乃转向西沿海岸线遁逃，在日本第一游击队快速巡洋舰的追歼下全军覆没。同日，清军兵勇及刘公岛百姓成群结队去见丁汝昌，“哀求生路”。丁许以“若十七日（2月11日）救兵不到，届时自有生路。”
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9日（正月十五日），清军击退联合舰队的第六次进攻。靖远搁浅。下午，北洋海军右翼总兵、定远管带刘步蟾炸毁定远。当晚，刘步蟾自杀。[58]
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11日（正月十七日），清军击退联合舰队的第七次进攻，但北洋海军亦已到山穷水尽的地步。当晚，丁汝昌自杀。同时选择自杀殉国的尚有镇远代理管带杨用霖、记名总兵张文宣。同日，清廷指示张荫桓、邵友濂返回上海。[59]
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12日（正月十八日），刘公岛守军向日军递交降书。张荫桓、邵友濂离开日本回国。[60]
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北洋海军的覆灭，使光绪受到很大刺激：“览奏何胜愤懑。北洋创办海军，殚竭十年财力，一旦悉毁于敌，隳防纵寇，震动畿疆。”[61]乃于13日（正月十九日）命李鸿章为全权大臣赴日议和，并令李鸿章“速来京请训，切毋刻迟”。同时，一方面对李鸿章“赏还翎顶、开复革留处分，并赏还黄马褂”，另一方面又令其将直隶总督、北洋大臣的实职转给云贵总督王文韶。[62]