2月3日拂晓，日联合舰队第一、二游击队与本队汇合，于10：00炮击刘公岛，日陆军占据的各炮台亦配合开炮轰击北洋舰队。已陷入重围的北洋舰队奋力还击，先后击伤了筑紫、葛城号，日舰攻不入海口，悻悻退走。
2月4日夜，日军10条鱼雷艇趁夜色摸近海口，切断布设在海口的拦截铁锁，潜入湾内，击伤了定远号。丁汝昌只得命令将航驶向刘公岛上搁浅，作岸炮使用。
次日，日军见定远号受伤，以为有机可乘，再次来挑战，依然扫兴而归。
2月6日，食髓知味的伊东佑亨再一次派出5条鱼雷舰溜进港口寻找战机；而清军依然记吃不记打，来远号、威与被击沉。可当日天亮之后，日舰的进攻又一次被击退了——抄书者认为，这并非是日军怯战，而是因为北洋舰队已成了困兽，被消灭是迟早的事，自己犯不着冒险被击沉的险死拼。而且如果能俘获北洋舰队的舰只为已所用，岂不比白白炸沉到海中的好么？
为俘获北洋舰队的军舰，日本人可谓煞费苦心。就在日军自大连湾登船的那天，一封由高桥作卫起草，大山严和伊东佑亨联署签名的劝降信由英国军舰塞班号转给了丁汝昌。这封信固然充满颠倒黑白，混淆事非，引之功利之言，却也指出了“清国而有今日之败者，固非君相一已之罪，盖其墨守常经，不谙之所由致也。”，亦不能说全无道理。
丁汝昌自是一口拒绝了——高桥作卫纵使妙笔有花，只要有心明辨，不为利欲所动，又岂能改非为是，化恶为善呢？
此时坐镇刘公庙的丁汝昌表面镇静，不停地给已经已经开始动摇的士卒们打气，内里却心急如焚。伊东佑亨打着什么算盘，他是一清二楚。北洋舰队凭自己的力量脱困，几无可能；陆军及时赶到并收复威海，尚可能有一线生机。可这陆军，还有可能来吗？
北洋舰队是李鸿章花费了数十年搞洋务运动的成果，由其再三要求丁汝昌谨慎保舰可知，对这支花费了他几乎是后半生的心血建成的这支舰队是有着深厚的感情，自是不肯让它损于一旦。他原本便知单靠山东的30000兵实无可能挡得住日军的进攻，早早就奏请清政府派出援军。清廷亦同意将计划北上的贵州古州镇总兵丁槐的5营人马留在山东作战，并将徐州镇总兵陈凤楼5营骑兵及皖南镇总兵李山椿的15营调去增援。李秉衡认为，如果威海能保二十日无事，这批援军必定能赶到——这是1月22日的事。
可是，漫不说此时威海已经陷落，日军的两个师团已经占据了有利地势，就算是这25个营10000多人马能在日军的前头赶到威海，部署就位，就能挡得住日本人的进攻吗？
丁汝昌心里完全没有底，甚至有可能对此极为怀疑。但上锋既然给自己一个20天的许诺，那他也就以此来给士兵们打气：加油干呐，只要坚持到11日，陆军的兄弟就一定会赶到。到时候咱们就等着朝廷的封赏吧！
2月7日，日联合舰队本队、第1、2、3游击队大举进攻。按伊东佑亨的想法，大概是想一举拿下北洋舰队。北洋舰队不愿束手就擒，与刘公岛、日岛两处炮台联手回击，将松岛、桥立、秋津洲、浪速数舰击伤。
正在战况陷入胶着之时，北洋舰队的鱼雷舰及辅助舰共15只突然冲出港口。伊东佑亨本以为北洋舰队是作最后一搏，先派鱼雷舰出击扰乱已方的队形（事实上，丁汝昌也确实上派他们出海配合作战而不是逃跑的），遂下令组成防守阵势。没成想这些船只虚晃一枪，沿着海岸线向西边的烟台逃去。伊东佑亨大呼上当，急令日舰追击。最后这15条船大多被俘虏或是被便是触礁搁浅。
除了损失了大部分小型船只外，当日日岛炮台亦被严重损坏，守将萨镇冰与手下退回刘公岛。
2月8日至11日之间，伊东佑亨花样百出，与陆上的日军占领的炮台对北洋舰队轮番攻击，刘公岛上设施损失严重，用以封锁港湾的拦坝、铁索继续被破坏，靖远号被击沉。北洋舰队虽然勉力支撑，然援军迟迟不到，眼见威海港湾便成自已的死地，士兵们不由得士气低沉，人心涣散。尤其是自8日清鱼雷舰逃跑之时起，便有人“扬言不再作战，或齐集防浪堤下，或占据小船，或登上镇远舰，要求载他们离岛”，丁汝昌看在眼中，急在心里，只得晓以大义，以十一日为期，“届时自有生路”——此时援军连根眉毛都见不到，丁汝昌敢拍下胸脯，说自有生路，大概亦非全部是敷衍，或许此时他已有允降之意亦未可知——这诚然是个真正的艰难的决定，然而又必须由他来下。事至如今，计将安出？
他眼如铜铃，直望西方，仰天长叹：李大人啊李大人，难道你就忍心见着北洋舰队就此覆灭吗？
士兵们的感情象传染病，很快就传染到洋员和清军官员身上。候选道牛昶眪与山东候补严道洪和洋员泰莱、克尔克、瑞乃尔等人合伙商量投降，并向丁汝昌劝降。丁汝昌淡淡地说：投降是不可能的事，如实要投降，“余当自尽，以使此事得行，而全众人之命”。
最后的几天里，丁汝昌实质上已经是在为北洋舰队做后事了。他令人击沉了靖远舰，又将定远舰炸毁。自己亲手监造、终日为伴的战舰不得不由自己亲手炸毁，刘步蟾悲痛欲绝，服毒自杀。
2月11日，正是丁汝昌订下的之期的最后一天。在这天，他收到李鸿章转折专来的的电报，知援军无望，士卒百姓又纷纷涌来乞命，连轰沉镇远号的命令都无人肯执行了。丁汝昌如在火上焙烧煎熬，进退维谷。