当时日本舰队处于丰岛附近的的狭窄航道，不利于展开作战，便向右偏转16度，向东航行。看见日本军舰掉头驶去，方伯谦和2舰上的官兵不由得松了口气，但很快，3艘日本军舰航行到开阔水域后，立刻又向左偏转16度，取势而来。7时43分30秒，日本编队旗舰“吉野”放一空炮，45分，“吉野”正式开火，炮弹落在中国军舰附近的海里，掀起阵阵水柱。52分，“济远”舰开始发炮还击，55分，“秋津洲”开火，56分，“浪速”开火，甲午战争中的丰岛海战就此打响。
尽管在吨位、航速、射速、火炮数量上均处于绝对劣势，中国两艘军舰仍奋勇还击，“济远”主炮多次命中日舰，桅盘上的水兵也在用小速射炮从高处扫射日本军舰舱面，然而开战后不久，“济远”设计中的一些弊端接连显现出来。首先是位于飞桥之上的司令塔，因为位置过于暴露，很快被弹片击中，在司令塔内指挥作战的大副沈寿昌头部被击中，当场牺牲，继而前主炮炮罩接连被击中，破片在闷罐式的炮罩内四处飞散、反弹，在炮台内督战的枪炮二副柯建章胸部中弹牺牲，接替他指挥的海军学校见习生黄承勋手臂又被打断，水兵准备抬他去包扎，这位年仅21岁的年轻军官高喊“尔等自有事，勿我顾也！”，旋即阵亡，整个前主炮台内官兵死伤枕藉，竟至火炮无法转动。跟随“济远”之后的“广乙”舰很快也加入战斗，一度逼近日本军舰，准备发射鱼雷，但因日方火力过于凶猛，以及战场烟雾弥漫，能见度差而未能成功。后被日舰重创，撤至朝鲜西海岸浅水区自毁。
“济远”管带方伯谦在此前的处置均无可异议，但从大副沈寿昌阵亡后，情况发生了转变。这位家产丰厚的将领，尽管是福州船政、英国格林威治海校的高材生，又在海军历练多年，但好学生未必就是好战士。可能在战斗初起时，他心中也涌动着成为海战英雄的豪情，但当大副的脑血溅洒在他身上时，战场的残酷、无情与可怖全部展现了出来。我们不知道此后方伯谦的心理发生了如何的变化，但8时20分，“济远”150炮发射的一枚未能爆炸的炮弹砸入“吉野”轮机舱后不久，“济远”开始转舵西撤，之后，不可思议的事情出现了，据日本《廿七八年航海日志》记载，“济远”的桅杆上竟升起一面白旗，随即竟又升起了一面日本海军旗（同样的描述也出现在了《东方兵事纪略》和“高升”号船长的回忆录里），这是任何国家海军都难以容忍的行径。不久，中国运兵轮“高升”号，以及运输舰“操江”号从远方驶来，撤退中的“济远”只是稍微降了一下高挂的日本旗后，便高速驶去。结果这两艘没有武装的船落入敌手，“操江”被俘，“高升”则被日军野蛮击沉，船上千余名陆军将士为国捐躯。在脱离战场的最后阶段，“济远”舰的水兵王国成、李仕茂等自发使用舰尾150毫米克虏伯炮，连续命中尾随追击的日舰“吉野”，此后，“济远”驶入浅水区，“吉野”吃水较深，担心搁浅，被迫转舵离去。在方伯谦审核上报的“济远”舰航海日志里，是这样记述的：“我船后台开四炮，皆中其要害，击伤倭船，并击死倭提督并员弁数十人，彼知难以抵御，故挂我国龙旗而奔”。这完全在捏造战果，首先，方伯谦声称击毙的“倭提督”即坪井航三毫发无伤，并参加了数月后的黄海海战；其次，“吉野”的航速高过“济远”，要跑要打主动权完全在“吉野”那边，“挂龙旗而奔”的描述实在荒唐。
回威海后，挂白旗及日本海军旗逃跑的丑事并未被揭露。海军提督丁汝昌根据方伯谦及“济远”舰上的水兵报告，为方伯谦等请奖。但信息较为灵通，且为人精明老道的李鸿章，从各处听闻到一些消息，开始对方伯谦产生怀疑。但是，清政府还是以“于牙山接仗时鏖战甚久，炮伤敌船，尚属得力”为由，嘉奖方伯谦。清流派甚至上了一道奏折，要求处死丁汝昌，改由方伯谦接管丁汝昌所带之船。挂白旗的逃跑将军，由于消息不畅，竟然一度几乎成了英雄。“聪明”的方伯谦又走了一步好运。
丰岛海战后，根据“济远”受伤的情况，盖在军舰首尾炮台上厚重封闭的穹盖式炮罩，被拆除，因为实战证明这种原本设计来抵御机关炮的炮罩厚度不够，对大口径炮弹没有防御能力，如果没有炮罩，大口径炮弹可能就会飞过，不会造成什么伤害，即使打中了人，也只是杀伤被打中的那名水兵而已，而采用了封闭炮罩以后，虽然防不了大口径炮弹，但却能防小的炮弹破片，一旦破片进入炮罩，因为钻不出去，就会在炮罩里面飞来飞去，给炮位上的人员造成严重杀伤。与“济远”同样使用穹盖炮罩的“定远”级军舰随即也做了改装。
随着朝鲜局势日趋紧张，1894年9月15日，丁汝昌率包括“济远”在内的北洋海军主力，护送运兵船前往鸭绿江口登陆，加强在朝的中国军队实力。9月17日中午，完成护航任务的北洋舰海军主力准备启航返回时，与日本海军主力遭遇。根据中国军舰的技术特点，丁汝昌下令全舰队以横阵迎战，“济远”舰被排列在横阵左翼的末端，向右依次为“广甲”、“经远”、“致远”，4舰共同构成了阵形的左翼。中午12时50分，在5500米距离上，旗舰“定远”首先发炮，打响了海战。
以纵队而来的日本舰队意图横越中国舰队阵前，取势攻击右翼的弱舰“超勇”、“扬威”，因而左翼末端由方伯谦指挥的“济远”舰初期未遭遇多少炮火。随着旗舰“定远”前桅上桅断裂，右翼“超勇”、“扬威”接连起火，北洋海军阵形开始发生混乱，下午3时左右，旗舰“定远”舰首军医院中弹燃起大火，浓烟遮蔽全船，邻近的“致远”舰冲出掩护，最终沉没于海。“致远”舰勇撞敌舰的举动，让敌我双方均极震撼，但随后令人惊讶的事情便发生了。如同丰岛海战时一样，方伯谦指挥的“济远”舰调转舰首，竟然开始往回撤逃，随后一发不可收拾，相邻的“广甲”有例可循，也跟着“济远”一起撤逃。结果导致左翼的“经远”号装甲巡洋舰遭到日本军舰围攻，最终被击沉。
后来有论者认为，黄海海战后期，北洋海军“靖远”、“来远”、“超勇”、“扬威”等舰也都曾撤出过战场，以此推论“济远”撤逃的合理性。但是需要看到的是，“靖远”等舰撤出战场的目的是暂时躲避炮火、抢修军舰，随后又都重返战场，与“济远”的一路逃回旅顺截然不同。
在逃跑的途中，慌不择路的“济远”竟又将被日舰重创，正在努力向浅水区驶避自救的“扬威”舰拦腰撞中，水下锋利如刀的撞角，未能给敌人以任何打击，反而刺入了友舰的身躯，相撞后，“济远”未作任何补救措施，反而立即倒车脱离，迅速逃离战场。“扬威”舰在撞击后迅速沉没。钢铁的“济远”舰如有感情，也当落泪。那一刻，方伯谦是否顾得在心里生出一丝愧疚呢。
9月18日凌晨，当其他北洋军舰还在从战场回家的航程中时，“济远”已提前近4小时回到旅顺。关于为何提前回港，方伯谦汇报的理由是“船头裂漏水，炮均不能施放”，稍有良知和判断力的人看到此，都会感到愤怒，因撞击“扬威”而造成的“头裂漏水”，此刻尽然被混淆概念，作为逃跑的理由。而至于“炮均不能施放”更属信口雌黄，“济远”全舰装备大小火炮近20门，根据日方统计，“济远”仅中弹数十处，“定远”“超勇”等舰中弹或上千处，或上百处，尚能坚持战斗到底，而“济远”竟仅中数十弹便溃逃，以日舰射速，命中十数弹，化不了多少时间，济远可以说是一接战就溃逃了，根本没和日军发生激烈战斗（在日本参战各舰的战斗日志里，也难觅“济远”的踪影）。而区区数十弹就能造成近20门火炮损坏，实在是匪夷所思。另据战后受命调查各舰伤情的洋员戴乐尔报告，“济远”舰主炮炮尾炮套上有被锤击的迹像，而目前保存在刘公岛中国甲午战争博物馆的“济远”舰210主炮上的相应部位确实存在砸痕。如果“济远”舰“均不能施放”的火炮确是人为故意破坏，以为逃跑寻找托辞，则罪行将更为恶劣。
参战的北洋军舰陆续回港后，拒绝与逃舰同泊，“济远”只能屈辱地单独停泊，默默忍受因管带而带来的恶名。方伯谦的好运气这次走到头了，尽管丁汝昌于19日命他前往三山岛牵引逃跑时搁浅的“广甲”舰，要给他提供戴罪立功的机会，但北洋大臣李鸿章对这个曾经深深倚重的军官彻底失望。24日，作为清廷中枢的军机处正式下令：“本月十八日开战时，自致远冲锋击沉后，‘济远’管带副将方伯谦首先逃走，致将船伍牵乱，实属临阵退缩，著即行正法”。次日凌晨5时，方伯谦在旅顺黄金山下大船坞西面的刑场上被斩首，时年41岁。
此后，“济远”舰管带由原“广乙”管带林国祥接替，1895年2月17日，“济远”在威海被日军俘获，编入日本舰队，仍保留“济远”舰名，英文译名则转变为Tsi Yuen，日俄战争时于1904年11月30日在旅顺口争夺战中炮击旅顺的203高地时触雷沉没，地点在今旅顺新港（羊头洼）西北大约2海里之处。20世纪80年代，先后经山东烟台救捞局与江苏靖江海洋工程公司打捞，出水了部分武器、舰材等遗物，现保存在中国甲午战争博物馆对外展出。这些出水遗物，默默地诉说着那艘被扭曲了的利刃——“济远”号的故事。
后记。20世纪90年代以来，由方伯谦后代发起，出现了一股所谓的翻案风，竟要将方伯谦树立为中华民族的民族魂。翻案者们似乎更应该记忆一下下面的历史场景。
抗日战争时期的长江之上，中国海军“宁海”、“平海”号巡洋舰，在靖江——江阴段江面与日寇飞机展开激战。方伯谦的亲侄儿，海军少将方莹