下午二时三十分，天池号被哥特号击中一炮，引发锅炉爆炸，开始进水下沉。
舰长吴文章率众纵火弃舰，乘登陆撤离。帝国舰队峨眉号试图救援天池号，此时数艘敌舰向峨眉号开炮，峨眉号急退回阵中，天池号遂被敌舰发炮击沉。
联合舰队第一编队见玄武号、天池号沉没后，遂集中火力围攻位于帝国舰队右翼阵脚之九华号。
先以鱼雷，继以丛弹。九华号中弹起火。舰长林平之临危不惧，指挥全舰，奋勇抗御，发炮以攻敌，激水以救火，依然井井有条。
以一抵众，拒战良久。突然，忽来敌炮，击中九华号。林平之中炮，头裂牺牲。九华号火势愈烈，烟焰焦天，俄尔舰体逐渐向左舷倾斜。
不久，左舷舰首向水中沉下。在舰体已下沉的危急关头，九华号官兵仍继续沉着应战，一直坚持到最后。
下午四时三十五分，九华号舰首向东，左舷倾覆，沉入海中。全舰除16人获救外，近200人殉国。
在海战第二阶段，帝国舰队的洞庭号、玄武号、天池号、九华号先后沉没，共失去四舰，战斗力大减。
由于主要船只之一的九华号沉没，帝国舰队逐渐无力主动向敌人进攻，不得不由第一阶段的进攻转为防御，由优势变为劣势，处境不利。
联合舰队方面虽然柯尼斯堡号、西里西亚号二舰失去战斗力，但联合舰队战舰众多，这两舰对舰队战斗力影响不大。
反而由于这两艘伤舰退出战场，使联合舰队无需再分散力量保护。实际上是减轻了负担，得以轻装上阵。八壹中文網
这样，联合舰队由第一阶段的劣势转为优势，战局的发展变得对联合舰队有利。
由于帝国舰队先后失去四舰，因而在最后阶段的海战战场上，坚持战斗的主要舰船只有齐远、昆仑、祁连、峨眉、天山、岱宗、太华七舰以及千岛号、洪泽号和鄱阳号三艘驱逐舰。
联合舰队则尚有汪达尔、哥特、普鲁士、汉诺威、萨克森、烈风、逆浪、天火、波涛等九艘主力舰以及十一艘驱逐舰。
除此之外尚有两艘无畏舰和三艘重巡洋舰未投入战斗。
双方舰队数量差距极大，联合舰队力量超过帝国舰队一倍以上。帝国舰队处境十分困难。
但是，齐远、昆仑、祁连等各舰全体官兵，面对优势敌人，毫无惧色。他们坚持战斗，力挽危局，誓与敌人血战到底。
齐远此刻虽被敌舰数艘团团包围，并无惧色，官兵们誓死抵御，不稍退避。齐远号舰长程荣光表现尤为出色，作战果敢，指挥灵活，行船时刻变换，敌炮不能取准。
昆仑号舰长周海涛、祁连号舰长杨勇指挥两舰奋击突进，操纵自在，始终保持着互相依恃的犄角骈列阵型，同中间的齐远号一起，与敌军数舰周旋。
周海涛、杨勇指挥下，两舰开炮极为灵捷，麾下各级官兵亦皆恪遵号令，虽敌舰炮弹所至之处，火势东奔西窜，而施救得力，一一熄灭。
就这样，帝国舰队在敌强我弱的极困难条件下，继续与敌军各舰相搏，历一时许，巨炮均经受伤。
齐远只有两炮尚能施放，同时火焚数次。但广大官兵一面救火，一面抵敌，始终不懈。
下午四时三十二分，哥特号舰首重炮击中齐远号舰桥，舰长程荣光当场牺牲。
紧接着，汪达尔号舰首重炮击穿了齐远号弹药库装甲，引发齐远号弹药库爆炸，当即炸死官兵五十一人，炸伤二十四人。
齐远号顿时陷入一片火海，舰身也被炸出一个大洞，开始进水下沉。
下午五时十二分，齐远号彻底沉没，全舰官兵仅三十二人逃生，其他人尽数阵亡。
海军总司令王鼎臣转移到太华号防护巡洋舰上继续指挥。
在齐远号弹药库殉爆后，昆仑号立即靠近救援，不幸被敌黑森号驱逐舰发射的鱼雷击中，舰底被炸出一个大洞，缓缓沉没。
昆仑号舰长率全舰官兵奋战到了最后一刻，周海涛与昆仑号共同沉入茫茫大海之中，全舰官兵多数被江河号鱼雷艇救起。
几乎同时，祁连号装甲巡洋舰主炮击中联合舰队逆浪号轻巡洋舰的左舷装甲，引发舰体大火，同时逆浪号左舷开始进水，向左倾斜。
很快，火势越来越大，无法控制，随即引发弹药库爆炸，逆浪号被炸毁沉没。
在失去旗舰齐远号和昆仑号之后，帝国舰队开始难以支撑。
越来越多的炮弹打在帝国舰队的战舰之上，致使帝国舰队越来越疲于应对。
天山、峨眉、岱宗三舰相继中弹起火，随后缓缓沉入大海。
祁连号装甲巡洋舰，太华号防护巡洋舰，千岛、洪泽、鄱阳号驱逐舰及几艘鱼雷艇拼死突围，向永平港驶去。
联合舰队队形混乱，追击不及，遂转向返航。
大沽海战是帝国海军同世界最强国海军之间的一场决战。
这场战役的目的是以牺牲帝国海军为代价为陆军争取足够的时间来阻击联军的登陆。
华甫在战前对王鼎臣说道："王司令，我知道这将是对帝国海军的一次毁灭性打击。此战之后，帝国海军甚至很可能会一蹶不振。
但我别无选择，如果不引诱敌军海军决战，在舰炮的掩护下，我们的陆军绝无可能抵挡住敌人的陆军。
一旦敌军轻而易举地突破我军的滩头防御登陆，那么接下来的战争帝国将很难打。帝国百姓也将遭到敌军更多的蹂躏。
舰船没了我们还可以再造再买，陆军垮了我们就只能卑躬屈膝地求和，继续给列强当傀儡。"
王鼎臣听后也陷入了沉默，他很清楚帝国舰队不可能打得过敌人的联合舰队，即使是派出最强大的第一舰队也有很大的全军覆没的可能。
但是华甫说的对，一旦陆军崩溃，帝国将再无力抵抗敌人的侵略，那么除了割地赔款地委屈求和外恐怕再无选择。
经过思索后，王鼎臣答应道："华元帅，届时我会亲率第一舰队出战迎敌。若我出了什么三长两短，希望华元帅能够在战争胜利之后将我的骨灰撒入海中，与兄弟们同眠。"
华甫双手抱拳道："保重。"