“济远”原本被丁禹廷编入由海军副提督张成率领的用于保护商船的巡洋舰队，因轮机故障进入旅顺维修，刚好赶上这一次的运兵行动，为了加强主力舰队的力量，这艘大型巡洋舰便被丁禹廷临时编入了主力舰队之中。
丁禹廷将“济远”舰配属在大东沟内的原因，从武备上的特点加以揣测后不难理解，这级航速不高但火力较强却没有配备鱼雷的大型巡洋舰，必要时可以用于担任鱼雷艇队的领队舰，率领4艘鱼雷艇高速奔赴战场，以自身密集的火力掩护鱼雷艇向敌舰发动奇袭。
被分别设定为蚊子船与鱼雷艇领队舰而留在大东沟内的“宁远”、“济远”最终却并没有按照这种方式被使用，“宁远”舰奔上战场，大概是不甘心如此一艘重量级的军舰白白放在港口作为浮炮台被动待敌，而“济远”舰没有按照鱼雷艇领队舰来使用，更大的原因应该是这艘军舰以往没有与鱼雷艇队配合演练过，相互之间还没有较好的默契。
在第一回合在乾国铁甲舰的重炮轰击下燃起大火，显得狼狈不堪的日本军舰“吉野”上，了望兵清楚地看到战场烟雾中出现了两艘新到的乾国军舰，“宁远”和“济远”二舰此时已经逼近了战场。并不是乾国舰队一线主力，舰型和武备以及航速都存在很大区别，而且从没有在一起编组配合使用过的“宁远”、“济远”2艘军舰，有猛虎下山一样，到达战场后立刻向日本联合舰队的第一游击队发起了攻击，2艘步调配合并不是很好的军舰，作战的勇气、决心异常的坚定、一致。
14时30分，“宁远”、“济远”2舰从乾国舰队右翼的方向进入了战场，横截在日本第一游击队的航向上，挡住了第一游击队军舰绕向乾国舰队阵形背后的去路，进而2舰又急转方向，转到位于第一游击队领队位置的旗舰“吉野”的舷侧展开攻击，“吉野”舰桅杆上高高飘扬的海军少将旗，使得二舰官兵很容易就识别出其是这支日本分舰队的酋首。斜刺里突然冲出来的2艘乾国军舰，着实让坪井航三吃惊不小，“吉野”以及后续的“高千穗”、“秋津洲”、“浪速”立刻与“宁远”、“济远”开始交火。
广东香山籍、毕业于福建船政后学堂第五届的“济远”舰管带程璧光在司令塔内指挥着“济远”舰率先冲向第一游击队旗舰“吉野”，“济远”舰凭借着高航速从“吉野”舰的左舷方向呈直角切入，领先于“宁远”接近了“吉野”，安装在军舰侧舷耳台内的两门190毫米口径主炮和5门140毫米口径副炮对准“吉野”急速射击，大大小小的炮弹在“吉野”周围编织起了一张可怕的火网。
由于左舷已经遭到重创，坪井航三随即下令第一游击队准备向右转向航行，绕到乾国舰队阵型的另一侧用右舷炮火作战，但“济远”显然不想给日本军舰这样的机会，又一次挡在了“吉野”的前方。
双方全力对射，很快，“吉野”舰射出的一颗120毫米炮弹击中了“济远”左舷第三号炮位，击坏了一门140毫米火炮，并引起了火灾，但由于乾国炮手没有在甲板上堆积弹药的坏习惯，已经摆放在那里的炮弹又是装有性态稳定的林氏火药，是以没有引起日本军舰上经常发生的弹药殉爆，乾国水兵们很快便扑灭了火焰，“济远”舰的射击并没有受到太大的影响，不多时，“济远”射出的一枚140毫米炮弹便击中了“吉野”舰体中部的鱼雷发射室并爆炸，日本鱼雷兵竹内道治，一等水兵河野三代吉、二等水兵北村常吉、四等水兵德永虎一等人被当场炸死，“血肉四方散布，惨毒已极”，（“‘吉野’分队士海军少尉近藤一云报告”《明治三十年海战史》）“……‘济远’舰在用14厘米大炮向我舰射击，击中‘吉野’舰，并从左舷中部下甲板的医疗室斜穿，并击穿隔壁的一寸钢铁，再从水雷发射管下通过，撞击到机关用的油罐……该敌弹在进入中央水雷室爆炸时，使舰内各室发生猛烈震动，流火四溅，硝烟弥漫，人近咫尺难以辨认，令人窒息。发射管员尽数被炸而死，血肉喷溅在衣服上，凄惨可见。”（《黄海海战‘吉野’舰内的状况》）“吉野”的处境一下子变得危险起来，但后续三舰的射击帮助“吉野”转危为安。
几乎在“济远”击中“吉野”的同一时刻，“济远”舰的舰尾耳台190毫米主炮被“高千穗”舷侧的120毫米口径速射炮命中，由于是以一战四，在单纯的炮火对抗中，侧舷拥有多门120毫米口径速射炮的4艘日本快速巡洋舰显然更占上风。炮击中，“济远”舰厚度为2英寸的主炮炮罩被击穿，装有下濑火药的炮弹在炮罩内炸开，破片使得1900毫米口径主炮的旋转机构遭到破坏，炮手接连倒下，火炮的旋转装置被损，“济远”舰的舰尾主炮陷入了瘫痪，并燃起了大火，迫使“济远”不得不转向脱离战场，灭火自救。
继“济远”之后，“宁远”犹如一位重装的武士，冒着日舰的弹雨勇猛突进，面对4艘日本军舰毫无惧色，脚步缓慢却显得格外执着无畏。从3000米的距离与日本第一游击队开始激烈交火开始，“宁远”一直战至距离1500米左右，“主炮频发，势若奔雷”，交战中“浪速”舰的舰尾260毫米口径主炮被“宁远”射出的一颗240毫米口径炮弹击中，“弹片四起，室内周围壁上喷溅着骨肉碎末，甲板上流淌着血肉相混之水，难以步行，散布遍地皆是，在上面行走犹如洗刷地板一样。当时，在发射指挥官宇利少尉的附近被敌弹炮击，使得发射电路断绝，同时，又有十余名士兵战死。只见少尉胸部以下一片血迹模糊，后背粘着厚厚的肉浆，少尉抖落下落在身上的人肉，正当准备下达发射命令时，又一敌弹飞来，炸死少尉及六名炮手……”
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