經過明治政府批準，作戰計劃得以實施。日軍大本營改編了原有軍隊，組成了號稱“山東作戰軍”的軍團，陸軍大將大山巖擔任司令官。該軍團下轄有第二師團(包括第三旅團和第四旅團)、第六師團(包括第十一旅團)和混成旅第十二旅團，同時還加入了軍兵站部等，總兵力達到25000人。此外，日軍的裝備和素養非常出色。
1895年1月20日，日軍在聯合艦隊25艘軍艦和16艘魚雷艇的掩護下，開始進攻威海衛東南10余里處的榮成。司令官大山巖指揮下，日軍表現出色，但最終還是未能攻下榮成。
清軍僅在煙臺以東的部隊就有43營，21000多人，但清軍陸軍缺乏訓練、裝備落后，而且駐扎分散，戰斗力低下。榮成縣并無軍隊駐守，知縣楊承澤因海防吃緊，下令縣內士紳籌辦民團，稱榮成縣海防總團，但是隊伍沒有槍支，每人手持一根長矛，操練時各隨鼓點舞動，如同演戲一般。
日軍艦曾經佯攻炮轟登州城，吸引清軍注意力，沒想到清軍根本沒有能力應付佯攻，日軍佯攻的牽制作用竟可悲地沒有起效，日軍登陸，登州守將則從倉庫里拖出一門名為“鎮海侯”的古董鐵炮，而這個古董竟然是三百年前的戚家軍所鑄造。日軍見佯攻不成便回軍撤退，被山東官員看作是古代神器發揮了作用，把倭寇嚇逃跑了。
日軍兵不血刃地占領了榮成縣城，在榮成的電信局里接到威海的一封電報，詢問日軍登陸情況，日本技師回電：“沒有一個日本人?！彪S即切斷了煙臺和威海之間的通信電線。潰敗下來的清軍逃至榮成縣城外，見大門緊閉，便繼續蜂擁西去。守城兵士見狀已經嚇破了膽，也打開城門西逃。眼見大勢已去，楊承澤跑到城里躲了起來，幾天后逃往濟南。
威海衛通向榮成的道路，可分為從崮山-河東村-鮑家村-三官廟-溫泉寨-龍家村一線靠近海邊的北路，稱威海大道;從羊亭集-虎山-溫泉湯-橋頭集-埠柳集一線的南路，稱為芝罘大道，至今這兩條路仍然是威海至榮成的交通要道。
1895年農歷大年初一，即西歷1月25日，日軍全部登陸算起，沿著芝罘大道的方向向威海挺近，沿途僅遇到微弱抵抗。1月30日，日軍對威海的南幫炮臺發起了總攻。不到一天的時間，南幫的陸路炮臺和海岸炮臺陸續失守，其中的陸路摩天嶺炮臺被日軍占領后，用俘獲的大炮調頭轟擊我方陣地。陸軍少將大寺安純在攻下摩天嶺炮臺、讓隨軍記者擺拍時，被北洋水師軍艦的精準一炮送上了西天。
日軍占領威海南幫之后，本想從海邊大道直搗威海衛城，但受北洋艦隊的炮火封鎖，繞道西路進攻威海衛。中國守軍在極為有利的情況下，又主動撤退，日軍隨即轉敗為勝。清軍撤退軍官雖被正法，但威海衛城內已無清軍。
在威海衛的東北方向，還有北幫炮臺，由于守將戴宗騫御兵無方，防守兵士幾乎逃散殆盡，實際上已無兵可守。北幫炮臺被日軍攻占。威海衛陸地全失，劉公島成為孤島，北洋艦隊處于日本海陸軍的合圍之中。
30日，日軍進攻南幫炮臺，聯合艦隊也從海上封鎖港口，正面炮擊威海衛。30日下午南幫炮臺失守，統領劉超佩逃至北岸。北幫炮臺失守，北洋艦隊陷于日陸、海軍的夾擊之中。
1895年2月3日，日艦及占據南幫炮臺的日軍水陸合擊北洋海軍，“定遠”中雷后擱淺，不久自毀，“來遠”、“威遠”、“寶筏”等相繼沉沒，擅自逃跑的12艘魚雷艇，皆被俘。日旗艦“松島”受重創，沉毀魚雷艇5艘。北洋海軍內的外國顧問英國人馬格祿、美國人浩威等，勾結部分貪生怕死清軍將領，公開威脅海軍提督丁汝昌投降。丁汝昌在得到陸路增援無望密報后，令各艦同時沉船，以免資敵，遭到抵制，旋又令剩余艦船拼死突圍，也無人執行。
1895年2月2日，日軍占領威海衛。
甲午戰爭后，山東遭遇到了一場極大的水災。12個州縣，18625個村莊受災，黃河在山東境內多處決口，人民流離失所。這僅僅只是為甲午中日戰爭“還賬”的一個開始而已?；蛟S對于大多數人來說，天降大雨的“天災”與那場恥辱的戰爭毫無瓜葛，但是對于真正的學者來說，二者關系頗為緊密。
在1894年甲午中日戰爭爆發之前，李鴻章接連調動兵馬進入朝鮮。山東巡撫李秉衡加強了威海衛一帶的防御建筑修建，又從山東的黃河防汛營中抽掉了一部分兵力，而這也為后來的水災埋下了伏筆。及至今日，盡管史學界對于李秉衡“愛國”還是“賣國”依然爭論不休，但是對于其抽調河務營參加甲午戰爭卻一致認為是“昏招”。常年從事黃河防汛工作的河務營，并不善于征戰，與其說他們是戰斗人員不如稱其為工程兵。因此，他們在被卷入甲午戰爭之后，并沒有起到多大的正面作用，其戰斗力低下且容易被擊潰的特征，卻給其它作戰部隊帶來了負面影響。更在之后削弱了山東的防汛力量。
甲午戰爭之后，李秉衡將河務營重新進行了調整和補充，但黃河各堤段已經有一年多沒有進行養護了，更為重要的是，甲午戰爭也耗盡了山東原本就微薄的庫存糧草和白銀。牽一發而動全身，有學者統計發現，從1894年到1899年6年的時間里，山東連年發生水災、旱災和蟲災，而其中很大一部分原因，就是來自于那場失敗的戰爭造成了黃河治理的頹廢。