從1894年9月17日到11月22日。在此階段中，戰爭在遼東半島進行，有鴨綠江江防之戰和金旅之戰。
清廷估計到日軍將乘勝入侵遼東半島，諭令李鴻章速謀戰守。李鴻章根據“各國探報，倭人將以大股圖犯北京，又云謀襲瀋陽”的情勢，提出了“惟有嚴防渤海以固京畿之藩籬，力保瀋陽以顧東省之根本;然後厚集兵力，再圖大舉，以爲規復朝鮮之地”的戰略方針。清廷集中兵力加強對遼東地區的防禦，任命四川提督宋慶爲幫辦北洋軍務兼前敵各軍總統；迅速募軍30營；將集結於九連城附近鴨綠江右岸的81餘營5哨，包括銘軍、毅軍、盛軍、奉軍及靖邊軍、蘆榆防軍、仁字虎勇、盛字練軍及吉字練軍、齊字練軍、鎮邊軍等計3.04萬清軍，分左右兩翼防線，形成東起蘇甸及長甸河口，西迄大東溝、大孤山，綿亙數十里的鴨綠江防線；清政府在以重兵屯駐鴨綠江防線的同時，又陸續從各地抽調兵力，以充實山海關至奉天、營口一帶第二線的防務。
鴨綠江江防之戰開始於10月24日，是清軍面對日軍攻擊的首次保衛戰。部署在鴨綠江北岸的清軍共約28000人。清朝任命宋慶爲諸軍總統，節制各軍。日軍進攻部隊爲山縣有朋大將統率的第一軍，包括桂太郎中將的第三師團和野津道貫中將的第五師團，共30000人。宋慶雖負節制諸軍之名，各路清軍實則不服調度，而且平壤新敗，士氣不振，將領多無抗敵決心。日本則士氣高昂，野心勃勃，日方發佈由間諜宗方小太郎起草的《開誠忠告十八省之豪傑》檄文，對滿清展開政治攻勢，揚言要直搗北京，讓清朝皇帝“面縛乞降”。
日軍先於九連城上游的安平河口泅水過江成功。當夜，日軍在虎山附近的鴨綠江中流架起浮橋，清軍未覺察。10月25日晨6時，日軍越過浮橋，向虎山清軍陣地發起進攻。清軍守將馬金敘、聶士成率部堅持抵抗，因勢單力孤，傷亡重大，被迫撤出陣地。日軍遂佔領虎山。其他清軍各部聞虎山失陷，不戰而逃。26日，日軍不費一槍一彈佔領了九連城和安東縣（今丹東）。清朝重兵近三萬駐守的鴨綠江防線全線崩潰。
1894年10月下旬，在日軍越過鴨綠江防線，佔領九連城、安東縣、大東溝、鳳凰城、寬甸、岫巖的情況下，宋慶奉詔率所部毅軍及銘軍回援旅順，留依克唐阿鎮邊軍駐守賽馬集、草河城一帶。由直隸提督聶士成率蘆榆防軍、盛軍、奉軍及仁宇虎勇等部守衛摩天嶺，阻擊日軍。聶士成、依克唐阿兩軍還在通遠堡集合20營兵力，擬分兩路反攻鳳凰城。一路由依克唐阿等率領，由通遠堡南；另一路由壽山統領鎮邊軍步隊、永山統領馬隊，繞道靉陽邊門進攻鳳凰城東北。
金旅之戰也開始於10月24日，至11月22日旅順口陷落，這是甲午戰爭期間中日雙方的關鍵一戰。日本第一軍進攻鴨綠江清軍防線的同一天，大山岩大將指揮的第二軍兩萬五千人在日艦掩護下，開始在旅順後路上的花園口登陸。由於李鴻章一心要保旅順港，清軍便沒有在此處設防。日軍的登陸活動歷時十二天，清軍竟坐視不問，只有當地的農民自發抗擊日本軍，暫時拖住了日軍的行動。11月6日，日軍擊潰清軍連順、徐邦道等部，進佔金州（今遼寧大連市金州區）。7日，日軍分三路向大連灣進攻，大連守將趙懷業聞風潰逃，日軍不戰而得大連灣。日軍在大連灣休整十天後，開始向旅順進逼。旅順地區清軍有七統領，道員龔照璵爲前敵營務處總辦，有“隱帥”之稱，共轄33個營，約13000人。14日，日軍曾通過清軍俘虜向旅順駐軍送去兩封勸降信，遭到嚴辭拒絕。18日，日軍前鋒進軍土城子，徐邦道的拱衛軍頑強抗擊，次日，龔照璵置諸軍於不顧，乘魚雷艇逃往煙臺。19日，黃仕林、趙懷業、衛汝成三統領先後潛逃。1894年11月21日，日軍向旅順口發起總攻，次日，旅順陷於日軍手中。日軍攻陷旅順後，即製造了旅順大屠殺慘案，4天之內連續屠殺中清朝居民，死難者最高估計達2萬餘人。
威海衛之戰是保衛北洋海軍根據地的防禦戰，也是北洋艦隊的最後一戰。日本大本營對山東半島的作戰部署爲“海陸夾擊”北洋艦隊。李鴻章在建完各炮臺後，即調派綏、鞏軍各4營分別駐守北幫炮臺、南幫炮臺。同時在劉公島上駐紮北洋護軍，並在海港東西兩口布設防材和敷設水雷248顆。整個山東半島大約有步兵約40個營、騎兵8營、水雷2營。威海衛港內尚有北洋海軍各種艦艇二十六艘。
1895年1月20日，大山岩大將指揮的日本第二軍，包括佐久間左馬太中將的第二師團和黑木爲楨中將的第六師團，共兩萬五千人，在日艦掩護下開始在榮成龍鬚島登陸，同時日聯合艦隊第1游擊隊在登州實行炮擊，山東巡撫李秉衡由於弄不清楚日軍究竟要在何處登陸，只好分兵把口，“時刻嚴防”，23日，日軍在榮成全部登陸完畢。26日，日軍第2師團和第6師團分別從榮成出發，各由南北兩路，分頭向百尺崖所方向前進，在戰鬥中，清軍趙埠嘴炮臺擊沉日艦1艘。30日，日軍集中兵力進攻威海衛南幫炮臺。駐守南幫炮臺的清軍僅六營三千人。營官周家恩守衛摩天嶺陣地頑強抵抗，最後被殲滅。日軍左翼司令官大寺安純少將被清軍炮彈打死，這是日本在甲午戰爭中唯一陣亡的將軍，左翼支隊的4箇中隊日軍被迫退至馮家窩。由於兵力懸殊，南幫炮臺終被日軍攻佔。2月3日，日軍佔領威海衛城。威海陸地悉數被日本佔據，丁汝昌坐鎮指揮的劉公島成爲孤島。日本聯合艦隊司令伊東佑亨曾致書丁汝昌勸降，遭丁汝昌拒絕。5日凌晨，旗艦定遠艦中雷擱淺，仍做“水炮臺”使用。10日，定遠彈藥告罄，劉步蟾自殺。11日，丁汝昌在洋員和威海營務處提調牛昶昞等主降將領的脅迫下，拒降自殺。洋員和牛昶昞等又推署鎮遠管帶楊用霖，出面主持投降事宜，楊用霖最終自殺。12日，由美籍洋員浩威起草投降書，僞託丁汝昌的名義，派廣丙管帶程壁光送至日本旗艦。14日，牛昶昞與伊東佑亨簽訂《威海降約》，規定將威海衛港內艦隻、劉公島炮臺及島上所有軍械物資，悉數交給日軍。1895年2月17日，日軍在劉公島登陸，威海衛海軍基地陷落，只此羣，北洋艦隊全軍覆沒。
遼東之戰持續的時間很長。自日軍突破清軍鴨綠江防線後，連佔鳳凰城、岫巖、海城等地。大清國調兩江總督劉坤一爲欽差大臣督辦東征軍務，授以指揮關內外軍事的全權，並任命湖南巡撫吳大澄和四川提督宋慶爲幫辦，以期挽回頹勢，在析木城四周部署了奉軍、盛字練軍、希字軍、仁字軍等，總兵力計27營，除步兵營外，有馬隊5營、炮隊1營，約8000人。從1895年1月17日，清軍先後四次發動收復海城之戰，由於指揮不力，皆被日軍擊退。2月28日，日軍趁勝追擊，從海城分路進攻，3月4日攻佔牛莊，7日不戰而取營口，9日攻陷田莊臺。僅十天時間，清朝百餘營六萬多大軍便從遼河東岸全線潰退。