光绪十二年（1886年），丁汝昌再次率领北洋水师主力前往朝鲜进行操练，并巡查海域。其间，他还奉命前往海参崴接应勘定吉林东部中朝边界的官员吴大澄等人，并将舰队带到日本长崎进行维修保养。然而，正是在这次停留期间，发生了中国水兵与日本民众的冲突事件，即所谓的“长崎事件”。丁汝昌冷静处理了这场危机，避免了两国间的军事冲突，并最终通过外交手段解决了争端。
五、统领海军
光绪十三年（1887年），清政府启动了一项旨在选拔优秀将领的人才选拔计划，命令各地督抚推荐具备将才的人选，以备任用。同年七月二十日，李鸿章向朝廷提交了一份《保举将才折》，在其中列举了多位他认为具有杰出才能的将领，丁汝昌的名字赫然在列。
光绪十四年（1888年），清政府正式确立了北洋海军的组织架构，并在威海选址建立了水师公所。同年九月九日，总理海军事务大臣醇亲王奕譞上奏，请求颁布《北洋海军章程》，标志着北洋海军正式成立。九月十三日，海军衙门根据李鸿章的提名，奏准任命丁汝昌为北洋水师提督，并不久后赏加尚书衔。这一任命意味着丁汝昌将成为北洋海军的实际领导者，肩负起建设和发展中国第一支现代化海军的历史重任。
丁汝昌上任后，积极推动北洋海军的各项改革与发展工作。根据他的建议，清廷在威海刘公岛建立了水师学堂，旨在培养优秀的海军驾驶和指挥人才。此外，还在大沽和旅顺设立了水雷学堂，以培养专门从事鱼雷操作的军官；在山海关设立了武备学堂，在威海建立了枪炮学堂，旨在为海军输送更多专业化的技术军官。这些举措对于提高北洋海军的整体素质起到了关键作用。
丁汝昌在任职期间，对北洋海军和北洋海防建设倾注了大量心血。他严于律己，力求树立良好的榜样，但同时也被指出在整肃军纪方面力度不够。尤其是在对待李鸿章的指示时，丁汝昌往往言听计从，这也导致了北洋海军在某种程度上被视为“李家军”的现象。
到了光绪十七年（1891年），丁汝昌率领北洋舰队访问了日本，亲眼见证了日本海军的发展状况。回国后，他深切感受到了加强海军力量的重要性，并向清政府提出了购买新舰的建议，以增强北洋海军的实力，防范潜在的外部威胁。然而，由于种种原因，丁汝昌的这一建议并未得到采纳。
六、黄海海战
光绪二十年（1894年），丁汝昌被授予尚书衔，成为北洋海军的最高指挥官。然而，随着朝鲜东学党起义的爆发，清政府应朝鲜请求派兵协助镇压。与此同时，日本政府依据《天津条约》也派兵前往朝鲜，意图借此机会挑起战争。
六月二十日，日本海军联合舰队在朝鲜丰岛海域突然袭击了中国运兵船队，这标志着紧张局势升级。七月一日，中日两国正式宣战，甲午战争爆发。战争初期，清廷内部对于是否开战存在分歧，光绪帝在部分激进官员的影响下，对丁汝昌提出了严厉指责，并考虑革职惩处。
八月十八日，丁汝昌接到命令，率北洋舰队护送增援朝鲜的清军前往鸭绿江口登陆。完成任务后，舰队于次日返航。就在返航途中，八月十八日中午11时30分，北洋舰队在黄海大东沟海域发现了日本联合舰队。丁汝昌迅速调整舰队阵型，由原来的犄角鱼贯小队阵转变为犄角雁行小队阵，同时下达了三条作战指令，强调协同作战和保持队形。
然而，由于时间紧迫，北洋舰队未能完全形成理想的犄角雁行阵型，实际接战时的队形更像是“燕翦阵”。日本联合舰队则分为两个战术分队，以高速的吉野号为首的第一游击队作为尖刀，其余八舰作为本队跟进。
战斗开始时，双方距离约12公里，当距离缩短至5330米时，北洋舰队旗舰定远号率先开炮，随即展开激烈的炮战。不幸的是，定远号上的信号装置很快被日舰炮火摧毁，导致北洋舰队失去了统一指挥。日本第一游击队则迅速向北洋舰队右翼薄弱的超勇号和扬威号发动攻击，并将其击沉。
随着战斗的持续，日本联合舰队通过灵活机动，对北洋舰队实施了包抄，使其陷入腹背受敌的困境。17时40分，日本联合舰队主动撤离战场，这场持续了五个小时的激烈海战告一段落。
黄海海战中，中日双方各有12艘军舰参战，但中方军舰整体较为老旧，吨位和火炮数量均不及日方，尤其是缺乏速射炮。作为北洋舰队的指挥官，丁汝昌在战前没有明确指定代理人和代理旗舰，在战斗中失去了指挥能力，导致北洋舰队未能有效应对敌军的战术。
尽管如此，日本联合舰队在指挥上也存在诸多问题，但最终的结果是，日本联合舰队虽受到一定程度的打击，却没有失去一艘军舰；而北洋舰队则损失了五艘军舰。这场海战的失败，对北洋舰队造成了沉重打击，丁汝昌也因此受到了责难。
七、兵败殉国
光绪二十年（1894年）九月二十日，北洋舰队在旅顺完成修理后返回威海，但不幸的是，“镇远”舰在入港时触礁受损，这对已经受损的北洋舰队来说无疑是雪上加霜。随着日军进攻旅顺，丁汝昌的处境愈发艰难，先是被革去了尚书衔，摘掉了顶戴，接着在旅顺失陷后，又被革职，但仍暂时留任。
在威海的防御布置中，丁汝昌对陆军的战斗力表示担忧，并建议做好炸毁陆路海岸炮台的准备，以免落入敌手。然而，这一建议却被误解为“通敌误国”，并被戴宗骞举报。清廷随即下令将丁汝昌送交刑部治罪。幸得刘步蟾等将领联名上书请愿，加上李鸿章的极力辩护，清廷最终决定待丁汝昌处理完手头事务后再将其送交刑部。
尽管身处逆境，丁汝昌仍旧力图振作，召集诸将讨论如何防守威海。十二月二十五日，日军在山东荣成登陆，并于三十日即除夕夜，由日本联合舰队司令长官伊东佑亨递送劝降书。丁汝昌坚决拒绝投降，并将劝降书上交李鸿章，以示忠诚。
光绪二十一年（1895年）正月三十日，日军进攻威海南帮炮台的制高点摩天岭，丁汝昌指挥舰队从海上支援炮台守军，成功击毙了日军旅团长大寺安纯。然而，由于力量悬殊，威海陆路南北炮台相继失守，刘公岛成为了被海陆合围的孤岛。
丁汝昌组织敢死队执行破坏任务，但最终敢死队成员全部牺牲。日本海陆两军继续进攻北洋舰队，但都被击退。直到二月五日夜，日本鱼雷艇偷袭，导致“定远”舰受损严重，丁汝昌不得不将督旗移至“镇远”舰。二月七日，日军舰艇集结，准备强行突破，同时陆上炮台向港内猛轰。
二月九日，丁汝昌登上“靖远”舰迎战，击伤了两艘日军舰艇，但“靖远”舰也被陆上炮台击伤。丁汝昌欲与舰同沉，被部下强行救起。到了二月十二日，面对日军的劝降，丁汝昌决心以身殉国，饮鸩自尽，以表忠心。临终前，他亲手破坏了北洋海军提督印，时年仅59岁。
丁汝昌去世后，其下属牛昶昞盗用他的名义，与日方签订了《威海降约》。北洋海军最终全军覆没。清廷内的保守派和激进派相互攻击，光绪帝下令籍没丁汝昌家产，并禁止其下葬。丁汝昌的子孙被迫流落异乡。
直到宣统二年（1910年），经过载洵及萨镇冰等人的争取，清廷才为丁汝昌平反昭雪。萨镇冰和谭学衡倡议全体海军官兵捐出三日的薪俸，用于修建丁公祠，以纪念这位忠诚的海军将领。
