日軍一麵製造“聲東擊西”假象，一麵積極部署進攻劉公島。
一月三十日，為配合日本第二軍總攻南幫炮台，日本聯合艦隊便開始了對劉公島的進攻。劉公島保衛戰，從一月三十日迄二月十一日，前後共進行了十三天。其整個戰鬥過程，可劃分為三個階段：
第一階段，從一月三十日至二月三日，歷時五天。在此階段中，日軍的計劃是：一方麵，以陸軍攻占威海衛城和南、北兩岸炮台，以孤立劉公島；另方麵，在陸軍的配合下，以海軍對劉公島及港內的北洋艦隊發起海上進攻。
一月三十日淩晨二時，伊東祐亨率聯合艦隊本隊鬆島、千代田、橋立、嚴島四艦和第一遊擊隊吉野、高千穗、秋津洲、浪速四艦， 乘夜自榮成灣起錨，沿海岸緩慢地向威海衛海麵航進，第三、第四遊擊隊築紫、赤城、摩耶、愛宕、武藏、葛城、大和、鳥海八艦隨之。第二遊擊隊之扶桑、金剛、高雄三艦，於頭天傍晚至成山角海麵擔任警戒，也駛抵威海衛海麵會合。隻有天龍、海門、天城等艦仍泊於榮成灣，警戒登陸地點。六時半左右，“本隊與第二遊擊隊向東口(即南口)，第一遊擊隊向西口(即北口)，各橫行二十海裏間，以張威勢，以窺清艦隊動靜。”注9上午十時，築紫等八艦駛近皂埠海麵開炮，以援進攻南幫炮台的日軍。丁汝昌率定遠、濟遠、平遠及諸炮艦，駛至劉公島與日島之間，“一麵巡航，一麵向東(南)岸炮台猛轟，努力阻止日軍進攻”。注10築紫等日艦被迫駛回。中午十二時，日艦本隊及第一、第二遊擊隊諸艦又“合為單縱陣，頻進挑戰”。北洋艦隊不應。於是，日奉第三、第四遊擊隊諸艦復進逼威海南口，築紫為先導，赤城等艦隨之。突然，“劉公島炮台放大炮、小炮，清艦亦發彈，勢頗激烈。築紫艦煙突根為巨彈所中，傷水兵四人。”注11築紫等艦急退。 下午三時許，日本旗艦鬆島命令第二遊擊隊諸艦炮擊日島。本隊及第一遊擊隊諸艦皆至口外“觀其戰狀”。劉公島和日島炮台皆發炮，一顆從劉公島射來的巨彈幾乎擊中鬆島。伊東見進攻未能奏效，便下令駛至雞鳴島海麵停泊。當天夜裏，又命第二艇隊之四艘魚雷艇“伺機以快速突擊港內，因港內防守嚴密而未能達到目的，無功而返”。注12
一月三十一日，日艦築紫請求趁黑夜占領日島，得到伊東祐亨的批準。但是，上午十一點以後，天氣突變。“風雪大作，海浪高起，寒威亦甚，炮門往往結冰不能使用，艦隊不得已退到榮成灣方麵，隻留第三遊擊隊守住港口。”注13
二月二日，風煞雪停，天氣轉晴。當天，日軍進入威海衛城，並占領北幫炮台。至此，威海陸地全失。北洋艦隊失去後防，劉公島成為其唯一依託。伊東祐亨見形勢大為有利，決定於次日發起第二次海上進攻，企圖一舉殲滅北洋艦隊。三日拂曉，日艦第一、第二遊擊隊與本隊會合。上午九時，三隊戰艦皆排成單縱陣，在威海衛海麵遊弋，進行挑戰。十時，第二遊擊隊扶桑、比睿、金剛、高雄四艦駛向威海南口，首先向劉公島東泓炮台發炮。到此日為止，日本第二軍的炮兵中尉鈴木清治和陸軍技師川島高良，已經修好了南幫炮台的大炮五門：龍廟嘴炮台的二十四公分口徑炮二門，十五公分口徑炮一門；鹿角嘴炮台的二十四公分口徑炮一門,皂埠嘴炮台的二十四公分口徑炮一門。加上其先前已裝配好的鹿角嘴炮台二十四公分口徑炮,共得大炮七門。注14日本陸軍見海軍來玫，也從南幫發炮夾擊，“北洋艦隊實已陷入重圍之中，而丁汝昌以下毫無屈色，努力防戰。”注15雙方炮戰異常激烈。“巨彈交迸，墜入海中，猛響如百雷齊發，飛沫高及數丈。”注16 扶桑等艦不敢戀戰，轉舵駛問外海。下午一時，築紫、大和、武藏、葛城四艦又駛向威海南口，並開始炮擊。戰未久，築紫被一顆炮彈擊中，“左舷穿透中甲板，未爆炸，由右舷落入海中，打死士兵三名，傷官兵三名，艦體損壞”。注17一顆臭彈使築紫僥倖得以保全。戰至下午二時三十九分，葛城亦中炮受傷。炮戰終日，日艦始終無法靠近威海衛口，最後不得已而退走。
在此階段中，日軍以水陸夾擊為主要進攻方式，不但未能奏效，反而遭到損傷。中國官兵士氣旺盛，重創敵艦，挫敗了敵人的進攻計劃。
第二階段，從二月四日至七日，歷時四天。日本聯合艦隊兩次海上進攻失敗後，伊東祐亨感到單純靠強行進攻，不會有多大效果，於是決定輔之以魚雷艇偷襲的辦法。
二月四日，伊東祐亨命令日艦本隊和第一遊擊隊仍至威海衛海麵“橫行洋中，以張聲勢”。注18傍晚，伊東決定“斷然實行大膽奇謀，破壞防口攔壩”注19，命魚雷艇潛伏於威海衛南口右側的陰山口，按計劃行事。午夜時分，日本一艘魚雷艇從陰山口偷偷摸進威海衛南口，靠近龍廟嘴山腳，開始破壞防口攔壩。此防口攔壩，是以長約丈丈許五寸見方的方木編成，每兩根之間距為三尺，對口外縱向排列，上敷三條三英寸鋼索，再以四英寸鐵鏈連接鋼索，使之不能移動，為防止因波浪或潮水而流失，還每十根方木下一鐵錨，以五英寸錨鏈相連。其設計既巧妙又牢固。但破壞起來並不太難。日本水兵用鐵斧砍砸，四五下就可砸斷一根鋼索。沒用多大工夫，三根鐵索皆被砸斷。於是，龍廟嘴山腳前百餘公尺的一段攔壩，頓時失去維繫，隨潮水而漂去。這樣，威海衛南口的攔壩終被搞開了一個缺口。
一月三十日，為配合日本第二軍總攻南幫炮台，日本聯合艦隊便開始了對劉公島的進攻。劉公島保衛戰，從一月三十日迄二月十一日，前後共進行了十三天。其整個戰鬥過程，可劃分為三個階段：
第一階段，從一月三十日至二月三日，歷時五天。在此階段中，日軍的計劃是：一方麵，以陸軍攻占威海衛城和南、北兩岸炮台，以孤立劉公島；另方麵，在陸軍的配合下，以海軍對劉公島及港內的北洋艦隊發起海上進攻。
一月三十日淩晨二時，伊東祐亨率聯合艦隊本隊鬆島、千代田、橋立、嚴島四艦和第一遊擊隊吉野、高千穗、秋津洲、浪速四艦， 乘夜自榮成灣起錨，沿海岸緩慢地向威海衛海麵航進，第三、第四遊擊隊築紫、赤城、摩耶、愛宕、武藏、葛城、大和、鳥海八艦隨之。第二遊擊隊之扶桑、金剛、高雄三艦，於頭天傍晚至成山角海麵擔任警戒，也駛抵威海衛海麵會合。隻有天龍、海門、天城等艦仍泊於榮成灣，警戒登陸地點。六時半左右，“本隊與第二遊擊隊向東口(即南口)，第一遊擊隊向西口(即北口)，各橫行二十海裏間，以張威勢，以窺清艦隊動靜。”注9上午十時，築紫等八艦駛近皂埠海麵開炮，以援進攻南幫炮台的日軍。丁汝昌率定遠、濟遠、平遠及諸炮艦，駛至劉公島與日島之間，“一麵巡航，一麵向東(南)岸炮台猛轟，努力阻止日軍進攻”。注10築紫等日艦被迫駛回。中午十二時，日艦本隊及第一、第二遊擊隊諸艦又“合為單縱陣，頻進挑戰”。北洋艦隊不應。於是，日奉第三、第四遊擊隊諸艦復進逼威海南口，築紫為先導，赤城等艦隨之。突然，“劉公島炮台放大炮、小炮，清艦亦發彈，勢頗激烈。築紫艦煙突根為巨彈所中，傷水兵四人。”注11築紫等艦急退。 下午三時許，日本旗艦鬆島命令第二遊擊隊諸艦炮擊日島。本隊及第一遊擊隊諸艦皆至口外“觀其戰狀”。劉公島和日島炮台皆發炮，一顆從劉公島射來的巨彈幾乎擊中鬆島。伊東見進攻未能奏效，便下令駛至雞鳴島海麵停泊。當天夜裏，又命第二艇隊之四艘魚雷艇“伺機以快速突擊港內，因港內防守嚴密而未能達到目的，無功而返”。注12
一月三十一日，日艦築紫請求趁黑夜占領日島，得到伊東祐亨的批準。但是，上午十一點以後，天氣突變。“風雪大作，海浪高起，寒威亦甚，炮門往往結冰不能使用，艦隊不得已退到榮成灣方麵，隻留第三遊擊隊守住港口。”注13
二月二日，風煞雪停，天氣轉晴。當天，日軍進入威海衛城，並占領北幫炮台。至此，威海陸地全失。北洋艦隊失去後防，劉公島成為其唯一依託。伊東祐亨見形勢大為有利，決定於次日發起第二次海上進攻，企圖一舉殲滅北洋艦隊。三日拂曉，日艦第一、第二遊擊隊與本隊會合。上午九時，三隊戰艦皆排成單縱陣，在威海衛海麵遊弋，進行挑戰。十時，第二遊擊隊扶桑、比睿、金剛、高雄四艦駛向威海南口，首先向劉公島東泓炮台發炮。到此日為止，日本第二軍的炮兵中尉鈴木清治和陸軍技師川島高良，已經修好了南幫炮台的大炮五門：龍廟嘴炮台的二十四公分口徑炮二門，十五公分口徑炮一門；鹿角嘴炮台的二十四公分口徑炮一門,皂埠嘴炮台的二十四公分口徑炮一門。加上其先前已裝配好的鹿角嘴炮台二十四公分口徑炮,共得大炮七門。注14日本陸軍見海軍來玫，也從南幫發炮夾擊，“北洋艦隊實已陷入重圍之中，而丁汝昌以下毫無屈色，努力防戰。”注15雙方炮戰異常激烈。“巨彈交迸，墜入海中，猛響如百雷齊發，飛沫高及數丈。”注16 扶桑等艦不敢戀戰，轉舵駛問外海。下午一時，築紫、大和、武藏、葛城四艦又駛向威海南口，並開始炮擊。戰未久，築紫被一顆炮彈擊中，“左舷穿透中甲板，未爆炸，由右舷落入海中，打死士兵三名，傷官兵三名，艦體損壞”。注17一顆臭彈使築紫僥倖得以保全。戰至下午二時三十九分，葛城亦中炮受傷。炮戰終日，日艦始終無法靠近威海衛口，最後不得已而退走。
在此階段中，日軍以水陸夾擊為主要進攻方式，不但未能奏效，反而遭到損傷。中國官兵士氣旺盛，重創敵艦，挫敗了敵人的進攻計劃。
第二階段，從二月四日至七日，歷時四天。日本聯合艦隊兩次海上進攻失敗後，伊東祐亨感到單純靠強行進攻，不會有多大效果，於是決定輔之以魚雷艇偷襲的辦法。
二月四日，伊東祐亨命令日艦本隊和第一遊擊隊仍至威海衛海麵“橫行洋中，以張聲勢”。注18傍晚，伊東決定“斷然實行大膽奇謀，破壞防口攔壩”注19，命魚雷艇潛伏於威海衛南口右側的陰山口，按計劃行事。午夜時分，日本一艘魚雷艇從陰山口偷偷摸進威海衛南口，靠近龍廟嘴山腳，開始破壞防口攔壩。此防口攔壩，是以長約丈丈許五寸見方的方木編成，每兩根之間距為三尺，對口外縱向排列，上敷三條三英寸鋼索，再以四英寸鐵鏈連接鋼索，使之不能移動，為防止因波浪或潮水而流失，還每十根方木下一鐵錨，以五英寸錨鏈相連。其設計既巧妙又牢固。但破壞起來並不太難。日本水兵用鐵斧砍砸，四五下就可砸斷一根鋼索。沒用多大工夫，三根鐵索皆被砸斷。於是，龍廟嘴山腳前百餘公尺的一段攔壩，頓時失去維繫，隨潮水而漂去。這樣，威海衛南口的攔壩終被搞開了一個缺口。