面，牟田主張採取攻勢，利用己方的優勢兵力奪取和掌握制海權。日本大本營採納了牟田的主張，並根據海軍的戰況和進展，制訂了相應的作戰方案。
7月22日，日本大本營向伊東司令官發出命令：貴司令官當率領聯合艦隊控制朝鮮西岸海面，在豐島或安眠島海域附近的方便地區，佔領臨時根據地。同時，日本政府還透過英國駐日本公使楚恩遲轉告清政府：如果中國派兵增援駐朝軍隊，應視為對日本表示敵意的行動，日本有權發起攻擊。
當時，海軍大臣西鄉從道提出質詢：此期間若遇中國艦隊，或中國有增派軍隊之事實，日本艦隊立即開戰，在外交上有無困難？
外交大臣陸奧宗光果斷地回答：“作為外交上的順序，沒有什麼問題。”這就賦予了日本海軍襲擊北洋艦隊的行動自由。
在這種情況下，歷史上的豐島海戰不可避免的重現了。
不過，自認為有英國的幫助和德國的“暗中支援”，李鴻章在思想上更為積極。
當時，牙山清軍已經處於險境，和日軍相比兵力大大不足，但是由於有良好的防禦工事，因此李鴻章決心大舉增援，以使日本不敢妄動。
7月22日早晨，丁汝昌命濟遠，廣乙、威遠三艦由威海出發，以副將濟遠管帶方伯謙為隊長，護衛愛仁、飛鯨等運兵船到牙山，併到大同江一帶遊巡。本來，丁汝昌準備率海軍大隊隨後接應，但李鴻章來電否定了丁妝昌的計劃，不過考慮再三，尤其是從德國回航的新式裝甲炮艦“寧遠”號和“撫遠”號已經抵達威海，正在緊張的安排人員和演練武備，所以本著持中而論的念頭，他下達了“以致、靖二艦負責接應”的命令。
由此，豐島海戰的面貌被徹底改寫。
23日，濟遠等三艦抵達牙山。24日早晨4點，愛仁號到達牙山，8時，解除安裝完畢，即出牙山口返航。同日下午，飛鯨來到。因為威遠已在早晨送電報往仁川，此時尚未返回，只有濟遠、廣乙兩艦協助卸船，再加上飛鯨裝兵雖然較少，但其他雜項較多，除四個營的糧米八百石，軍馬四十七匹外，還裝有大量的餘銀、炮械、子藥等件，所以卸船比較費時間。
此時，中**艦發現一日艦在白石浦口外遊弋。到下午5點，威遠由仁川回到牙山。威遠管帶林穎啟報告稱：接英國艦長羅哲土的訊息，說日本大隊兵船明日即來。
方伯謙見情況緊急，考慮到威遠是木船，不能承受炮火，而且行駛遲緩，萬一出口遇敵，徒然損失一船，便令威遠於當天晚先行離開牙山。
到25日凌晨，飛鯨船上的兵馬才有過半登岸。
延至早晨4點，飛鯨所載兵、馬、糧米、軍餉、炮械、子藥等已大部分上岸，方伯謙不敢再耽擱，便率濟遠、廣乙起碇返航。
不過，回航的時間已經太晚，日本第一遊擊艦隊的4條快船已經逼近了牙山灣口。
上午8點，日本第一遊擊艦隊和濟遠、廣乙二艦迎面相遇。坪井航三在旗艦“浪速”號上下達了開戰的命令。浪速、秋津洲、吉野、高砂四艦以一字縱隊封鎖了濟遠西去的航道，並率先發炮，戰鬥爆發。
就水兵和炮手的素質論，日軍比起北洋還有不小的差距。而且“濟遠”號上的官兵和軍艦已經磨合近10年，各方面都十分熟練。
8點半，廣乙獨自東駛遠離濟遠。此時，濟遠已犧牲三十人，受傷二十七人，勢難抵禦，便趁機以全速向西北駛避，艦長方伯謙命令降下龍旗，升起白旗和日本國旗。
這時候，從“浪速”號望去，西方海上出現兩縷汽煙，但一時辨認不出為何國艦船。坪井航三下令各艦採取“自由運動”。於是，吉野、高砂二艦轉舵追擊廣乙，浪速和秋津洲則尾擊濟遠。
9點，清軍運輸艦高升從浪速右舷透過，向東駛去。於是，浪速一面命令高升停駛，一面追擊乘機以全速駛逃之濟遠。
9點半，在兩千米的距離上，濟遠炮手王國成以150毫米尾炮攻擊浪速，發四彈，命中三發。其中一發開花彈打中“浪速”號水線，海水從右舷灌入煤倉，艦體微傾。
從德國購回的一批開花彈早在半月前便已經發放了一部分到達各艦，其中各艦150毫米炮每門發開花彈5發。
浪速受傷後，速度大減，坪井航三心中驚駭，遂下令轉舵迴避，並打出訊號旗召回吉野和高砂二艦。
吉野號在河源要一的指揮下先是追擊廣乙，廣乙避戰，向淺水區行駛逃逸，結果擱淺在十八島北側的淺灘上。艦長林國祥下令焚船。