1895年1月，日军两万人在山东荣成湾登陆，偷袭威海卫炮台，并以军舰封锁东、西港口。陆上防备亦未加强，威海卫最后失守。北洋海军困守刘公岛之后，广大士兵仍然积极抵抗。一些贪生怕死的将领胁逼海军提督丁汝昌投降。丁汝昌宁死不降，于2月11日自杀。北洋海军全军覆灭。北洋水师全军覆没标志着洋务运动的失败。

威海卫战役是中日甲午战争中的一次重要战役。威海卫地处山东半岛顶端，港湾呈半圆形，有刘公岛、日岛横列湾内，形势险要。港湾南北两岸及刘公岛、日岛建有10余座炮台，配备新式大炮100余门，火力交错，防御坚固，成为北洋海军基地和提督衙门所在地。黄海海战后，北洋海军在旅顺稍事休整，全部泊聚于此。

1894年年底，清廷在东北战场及黄海海战遭遇了一连串失利，主和派逐渐占据了上风。就在这年的11月，清政府甚至不知羞耻地派出一名德国人为代表，与日本政府议和。日本人当然不会同意与外国人和谈。为了能在将来的谈判中对清政府进行更大的勒索，日本决定发动新一轮的军事进攻。

进攻山东半岛并非拍脑袋的决定。1888年，关炳文时任日本海军大尉，以中国商人的身份在胶东半岛进行谍报工作，写成《关于威海卫及荣成湾之意见书》，建议进攻威海卫须以荣成湾为前进之地，登陆地点应在龙须沟附近，采取海陆夹攻战术。大量的日本间谍获取了翔实的情报，清军曾缴获日军的一张地图，上面疃（村）路、炮台、营房、山河、沟、井、树，样样都有，画得清清楚楚。

作战计划获得明治政府批准，日军大本营将原有军队改编，组成“山东作战军”，以陆军大将大山岩为司令官，下辖第二师团（包括第三旅团和第四旅团）、第六师团（包括第十一旅团）和混成旅第十二旅团，再加上军兵站部等，总兵力达到25000人，日军装备、素养极高。1895年（光绪二十一年）1月20日，以大山岩为司令官的日军在联合舰队25艘军舰、16艘鱼雷艇的掩护下，进攻威海卫东南10余里处的荣成。

清军仅在烟台以东的部队就有43营，21000多人，但清军陆军缺乏训练、装备落后，而且驻扎分散，战斗力低下。荣成县并无军队驻守，知县杨承泽因海防吃紧，下令县内士绅筹办民团，称荣成县海防总团，但是队伍没有枪支，每人手持一根长矛，操练时各随鼓点舞动，如同演戏一般。

当日，日军舰曾经佯攻炮轰登州城，吸引清军注意力，没想到清军根本没有能力应付佯攻，日军佯攻的牵制作用竟可悲地没有起效，日军登陆，登州守将则从仓库里拖出一门名为“镇海侯”的古董铁炮，而这个古董竟然是三百年前的戚家军所铸造。日军见佯攻不成便回军撤退，被山东官员看作是古代神器发挥了作用，把倭寇吓逃跑了。

日军兵不血刃地占领了荣成县城，在荣成的电信局里接到威海的一封电报，询问日军登陆情况，日本技师回电：“没有一个日本人。”随即切断了烟台和威海之间的通信电线。溃败下来的清军逃至荣成县城外，见大门紧闭，便继续蜂拥西去。守城兵士见状已经吓破了胆，也打开城门西逃。眼见大势已去，杨承泽跑到城里躲了起来，几天后逃往济南。

威海卫通向荣成的道路，可分为从崮山-河东村-鲍家村-三官庙-温泉寨-龙家村一线靠近海边的北路，称威海大道；从羊亭集-虎山-温泉汤-桥头集-埠柳集一线的南路，称为芝罘大道，至今这两条路仍然是威海至荣成的交通要道。

1895年1月25日，日军全部登陆算起，沿着芝罘大道的方向向威海挺近，沿途仅遇到微弱抵抗。1月30日，日军对威海的南帮炮台发起了总攻。不到一天的时间，南帮的陆路炮台和海岸炮台陆续失守，其中的陆路摩天岭炮台被日军占领后，用俘获的大炮调头轰击我方阵地。陆军少将大寺安纯在攻下摩天岭炮台、让随军记者摆拍时，被北洋水师军舰的精准一炮送上了西天。

日军占领威海南帮之后，本想从海边大道直捣威海卫城，但受北洋舰队的炮火封锁，绕道西路进攻威海卫。中国守军在极为有利的情况下，又主动撤退，日军随即转败为胜。清军撤退军官虽被正法，但威海卫城内已无清军。

在威海卫的东北方向，还有北帮炮台，由于守将戴宗骞御兵无方，防守兵士几乎逃散殆尽，实际上已无兵可守。北帮炮台被日军攻占。威海卫陆地全失，刘公岛成为孤岛，北洋舰队处于日本海陆军的合围之中。

30日，日军进攻南帮炮台，联合舰队也从海上封锁港口，正面炮击威海卫。30日下午南帮炮台失守，统领刘超佩逃至北岸。北帮炮台失守，北洋舰队陷于日陆、海军的夹击之中。

1895年2月3日，日舰及占据南帮炮台的日军水陆合击北洋海军，“定远”中雷后搁浅，不久自毁，“来远”、“威远”、“宝筏”等相继沉没，擅自逃跑的12艘鱼雷艇，皆被俘。日旗舰“松岛”受重创，沉毁鱼雷艇5艘。北洋海军内的外国顾问英国人马格禄、美国人浩威等，勾结部分贪生怕死清军将领，公开威胁海军提督丁汝昌投降。丁汝昌在得到陆路增援无望密报后，令各舰同时沉船，以免资敌，遭到抵制，旋又令剩余舰船拼死突围，也无人执行。

1895年2月2日，日军占领威海卫。

甲午战争后，山东遭遇到了一场极大的水灾。12个州县，18625个村庄受灾，黄河在山东境内多处决口，人民流离失所。这仅仅只是为甲午中日战争“还账”的一个开始而已。或许对于大多数人来说，天降大雨的“天灾”与那场耻辱的战争毫无瓜葛，但是对于真正的学者来说，二者关系颇为紧密。

在1894年甲午中日战争爆发之前，李鸿章接连调动兵马进入朝鲜。山东巡抚李秉衡加强了威海卫一带的防御建筑修建，又从山东的黄河防汛营中抽掉了一部分兵力，而这也为后来的水灾埋下了伏笔。及至今日，尽管史学界对于李秉衡“爱国”还是“卖国”依然争论不休，但是对于其抽调河务营参加甲午战争却一致认为是“昏招”。常年从事黄河防汛工作的河务营，并不善于征战，与其说他们是战斗人员不如称其为工程兵。因此，他们在被卷入甲午战争之后，并没有起到多大的正面作用，其战斗力低下且容易被击溃的特征，却给其它作战部队带来了负面影响。更在之后削弱了山东的防汛力量。

甲午战争之后，李秉衡将河务营重新进行了调整和补充，但黄河各堤段已经有一年多没有进行养护了，更为重要的是，甲午战争也耗尽了山东原本就微薄的库存粮草和白银。牵一发而动全身，有学者统计发现，从1894年到1899年6年的时间里，山东连年发生水灾、旱灾和虫灾，而其中很大一部分原因，就是来自于那场失败的战争造成了黄河治理的颓废。

甲午一战，给本就迭受灾荒的山东更增加了战争开支和战败赔款的负担。战后数年之内，山东各地的赋税倍增。灾民和农民都被迫成为流民，加重了山东不稳定的因素，这成为后来山东匪患严重的一大根源。

北洋水师的战败，让清朝海防变得毫无防御能力，列强乘机瓜分中国军港。

1898年，中德签订了《胶澳租界条约》，德国强行租借了胶州湾，租期99年。英国则在日军撤离威海卫之后，派兵进驻威海，并于1898年与清政府签订了《中英订租威海卫条约》。山东海防至此门户洞开。

12日，丁汝昌与记名总兵张文宣相继自杀，“定远”管带刘步蟾在此之前命人炸沉“定远”后以手枪自杀。营务处道员牛昶昞与外国顾问盗用丁汝昌名义起草降书，派“广丙”管带程璧光，乘“镇北”炮舰向日军乞降，17日，日舰队开进威海卫港，北洋海军残余舰船“镇远”、“济远”等4舰和6艘炮艇及全部军用物资被掠，北洋海军全军覆没。标志洋务运动的失败。后慈禧派李鸿章为全权大臣签订《马关条约》。