日军在占领东边道的大部分地方后，占领凤凰城的日军立即向摩天岭推进，计划打通进军辽阳、盛京的通道。聂士成奉命坚守摩天岭，孙显寅、吕本元部盛军两千余人负责配合。聂士成部本来战斗力就不错，经过整顿后的盛军也不再闻敌即溃。因此，日军进攻一个月不但没有突破摩天岭，反而在一个风雪之夜，聂士成率三百精骑突入连山关，亲手斩杀了守关的日军指挥官，日军仓皇逃回凤凰城，再也未踏足摩天岭。摩天岭之战，是整个甲午战争中唯一胜利的阻击战。
第一军司令山县有朋见突不过摩天岭，改令部队进攻辽南重镇海城。
海城北接辽阳、奉天，南邻盖平，西南接牛庄、营口，东连凤凰城、岫岩，号称辽南之锁钥，海疆之咽喉。日军于阴历十一月上旬自安东县踏雪西进，十天后攻克海城。此后，清廷聚集重兵，自腊月中旬到正月底，一个多月的时间发动了五次收复海城战役，但均以失败告终。当时参与战役的有两将军即吉林将军长顺、黑龙江将军依克唐阿，一提督即四川提督宋庆，一巡抚即湖南巡抚吴大瀓，一藩司即湖北藩司魏光焘，所部一百余营，六万余人。尤其是湖南巡抚吴大瀓、湖北藩司魏光焘所率领的是大家寄予厚望的老湘军，希望他们能够改变淮军疲弱崩溃的局面。但他们同样没带来惊喜，五六万人进攻六千余日军驻守的海城，却久攻不克，严重打击了清军的信心。
海城尚未收复，而攻占了辽东半岛的日军第二军大部于腊月底乘船到胶东半岛荣成湾登陆，目标所指便是驻泊威海的北洋海军。自从旅顺陷敌后，北洋海军只能在威海驻泊。军舰与岛上炮台相配合，日军想攻进港内很难。但威海有软肋，就是陆上炮台后路守卫力量十分薄弱，而且不归丁汝昌调度。结果日军不做正面进攻，登陆后，先是断了陆路炮台的后路，继而占领了陆路炮台，调转炮口，对泊于刘公岛内的北洋海军进行海陆夹击。北洋舰队处境非常艰难，丁汝昌唯一希望的是援军能够重新夺回陆上炮台，但援军却遥遥无望。在外人看来，北洋舰队还有一条生路，就是冲出威海。但冲出威海又能去哪里？进港时镇远已经受伤，船舱进水，根本不能航行，只能当炮台使用。就是尚且完好的定远舰航速也不及日舰，冲出威海，必定被追上，这是显而易见的。而且定远舰排水量七千余吨，为了驻泊专门在旅顺、威海修建的船坞，即使逃出后又到何处驻泊？所以丁汝昌坚持株守刘公岛，等待援军。援军无望后，舰队中的洋人牵头，发动水陆将领及岛上百姓向丁汝昌“乞一条生路”，就是逼迫他向日军投降。他不肯投降，便只有自杀殉国一条路。正月中旬，北洋海军提督丁汝昌、定远舰管带刘步蟾、镇远舰管带林泰曾及继任管带杨用霖自杀身亡，大量战舰被日军俘获，补充到日本海军。
随着北洋舰队的覆没，战争的前景更加悲观，以慈禧为首的主和派活跃起来。六天后，朝廷派李鸿章为全权大臣赴日本谈判。经过一个多月的谈判，李鸿章代表清廷与日本签订了《马关条约》，赔款两亿两，割让辽东半岛、台湾及澎湖列岛。后来在俄德法三国干涉下，日本不再坚持割取辽东半岛，但因此付出三千万两白银作为赎金。因为签订丧权辱国的《马关条约》，李鸿章成为举国痛骂的“卖国贼”。
