至开战前，先后进入马尾港的法舰有10艘，总吨位约15000吨，装备火炮77门。【无弹窗.】
而中舰虽有11艘，但大部分都是轻型炮舰，所有舰只总吨位仅9800余吨，装备火炮也只有50余门。
且中国舰队的军舰大都采用立式蒸汽机，机器在水线之上，虽然可以多装货物很多当时的军舰，是军用和商用的多用途舰船，但是没有装甲保护，极易被破坏。
装备的火炮又基本都是前膛炮，既没有装甲，威力、射速又都不如法舰装备的后膛炮。
更为不利的是，法国舰队还装备了当时的新式武器机关炮、杆雷艇。
当时，法国拥有9艘军舰，共计14514吨，摆在罗星塔的南面和东南，另有鱼雷艇2艘。
还有两艘军舰在金牌、琯头一带江面，阻止清军塞江封口，保障后路安全。
参战法舰共有重炮71门，还有不少射速为每分钟60发的哈齐开斯机关炮，官兵共有1790人。
福建水师拥有11艘军舰，共计9800吨，炮47门大口径炮很少，官兵1176人。福建水师8艘战舰停泊在马江边的罗星塔之西，3艘停在罗星塔之东。
从吨位、防护能力、重炮数量、兵员素质等方面比较，中法两国海军实力悬殊，法国舰队显然占有优势。
当日13时56分，孤拔趁落潮的有利时机，指挥法舰突然袭击福建水师。福建水师舰只未及起锚，就被法舰第一排炮弹击沉两艘，重创多艘。
战斗开始后，张佩纶竟吓得神慌意乱，晕倒在地，由随从扶起逃命。
驻福州的福建巡抚张兆栋以及旗舰“扬武”号管带兼舰队指挥张成，也都先后逃之夭夭。
在十分不利的情况下，福建水师下层官兵却英勇还击。
旗舰“扬武”号福建水师中唯一的一艘轻巡洋舰，虽受重伤，船身犄斜，势将及溺，仍发尾炮准确地击中法国旗舰“富尔达”号，击毙其引水员和水手5人。
由于实力相差悬殊，江面战斗仅进行了近半小时，就以清军的失败而告终。福建水师军舰11艘、运输船19艘，全被法舰击沉、击毁，官兵阵亡521人，受伤150人，下落不明者51人。
法军仅死5人，受伤27人，有两艘鱼雷艇受重伤，其余为轻伤。
七月初四上午，部分法军炮舰乘涨潮上驶，用大炮轰毁福州造船厂，使之变成一片瓦烁。七月初五，法海军陆战队一部在罗星塔登陆，夺去了3门克虏伯大炮。
此后几天，法舰驶向下游，逐次轰击闽江两岸炮台，炸毁无数民房，然后鱼贯而出，退至马祖澳定海湾。
马尾海战的惨败，主要是清朝政府妥协政策和前敌将领昏聩畏敌造成的，也是中事技术落后于法国的结果。
当时，福建船政的舰船有8艘环卫舰船：运输舰“永保”、“琛航”泊于船厂水坪前；旗舰“扬武”率炮舰“福星”、“福胜”、“建胜”、“伏波”、“艺新”泊于罗星塔上游与法舰相拒；另外3艘炮舰“振威”、“飞云”、“济安”泊于罗星塔下游海关附近。
此外，还有10余艘绿营福建水师的旧式师船和许多武装舢板，分别停泊于罗星塔南侧。
法舰与船政舰队相距仅有数百公尺，对中舰形成南北夹击之势，所以进攻是从两个方向同时开始的。
罗星塔上游方向，孤拔指挥旗舰“窝尔达”等舰集中主要火力攻击船政旗舰“扬武”，以部分炮火攻击其他舰船。“扬武”来不及调转船头，一面砍断锚链，一面发尾炮还击，第一炮就打中“窝尔达”的舰桥，炸死法军5人。
后法军又以46号杆雷艇攻击“扬武”，另以45号杆雷艇攻击“福星”。
“扬武”右舷中鱼雷重伤，上层建筑也开始中炮起火，管带张成却弃舰乘舢板逃走。
“扬武”舰官兵虽顽强抵抗，但军舰受伤过重开始下沉，在沉没的最后一刻，一名水兵爬上主桅顶挂出龙旗，表示“舰虽亡、旗还在”，最后“扬武”舰和舰上的官兵一起共同殉国。
法军46号杆雷艇击中“扬武”后，随即遭到中国陆军岸炮的轰击，锅炉被击中爆炸，一人被炸死，军舰完全丧失了战斗力，逃向下游。
攻击“福星”的45号杆雷艇偷袭未成，遭到“福星”官兵的猛烈回击。
由于距离太近，“福星”舰又没有机关炮，官兵们便用步枪等一切能用的近战武器攻击敌舰，46号艇艇长拉都被步枪击中眼睛，杆雷艇也多处受伤，急忙掉转船头，逃向美舰“企业”号附近躲避。
“福星”舰管带陈英指挥官兵击退45号艇后，急令起锚，调转船头攻击敌舰。
陈英不顾“弹火雨集，血肉风飞，犹屹立指挥，传令击敌”。
他的随从劝他暂避敌锋，他对部下说“此吾报国日矣吾船与炮俱小，非深入不及敌船”，下令冲向敌舰。孤拔指挥3艘军舰围攻“福星”。
陈英大呼“大丈夫食君之禄，当以死报今日之事，有进无退”指挥所有火力猛击法军旗舰，但因炮小未能击中敌军要害，在望台督战的陈英却不幸中炮身亡，三副王涟继之开炮奋击，亦被弹簸船上。“福星”舰“死伤枕藉，仍力战不退”。法舰又施放鱼雷，击中“福星”暗轮；接着，舰上火药仓又中弹起火，“福星”号这才爆炸下沉，全舰官兵95人，仅幸存20余人。
“福胜”、“建胜”殉国
跟随“福星”之后冲向敌舰的“福胜”、“建胜”两舰是蚊子船，仅在舰首装备有一尊不能转动的前膛阿姆斯特朗16吨大炮，火力很弱，而且马力小、笨重迟缓，无法靠近援救“福星”，只能远距离射击。
“建胜”开炮击中孤拔旗舰，轻伤其舰首。
敌舰以重炮还击，“建胜”多处中炮，管带林森林阵亡，由游击吕翰继续指挥作战。
吕翰，广东鹤山人，船政驾驶班第一届毕业生，战前即遗书老母妻子表示，“见危授命，决不苟免”。开战后，吕翰短衣仗剑，督率“福胜”、“建胜”两舰迎击敌舰，面部中弹，稍事包扎又继续指挥。
“建胜”迫近敌舰时被击沉，吕翰中炮牺牲，年仅32岁。
管带叶琛指挥的“福胜”舰开战后尾部中炮起火，但仍坚持不退。
叶琛战斗中面部受重伤，忍痛督炮连中敌舰，最后饮弹身亡，“福胜”舰亦被击沉。
罗星塔上游方向的另外两艘炮舰“伏波”和“艺新”，在敌舰发出的第一排炮火中就被击伤起火，遂向上游福州方向撤退。
法军旗舰“窝尔达”号追击，“艺新”转舵发炮，敌舰退去。
“伏波”、“艺新”两舰退出战斗，驶至林浦搁浅。
“永保”和“琛航”两艘运输舰毫不示弱，开足马力撞击敌舰，相继被击沉，舰上官兵全部殉难。
法国“凯旋”号装甲巡洋舰罗星塔下游方向，船政的3艘炮舰“振威”、“飞云”和“济安”与3艘法舰对峙。
海战开始后，“振威”舰最快做出反应，立即发炮轰击附近的法舰“德斯丹”号。
“振威”管带许寿山，今砍断锚链应战，迅速反击，并冒着炮火登上望台指挥。与“振威”同泊的“飞云”、“济安”两舰，还没有来得及启锚就中炮起火，很快沉没。
法军集中3艘军舰的火力攻击顽强抵抗的“振威”舰。“振威”舰船身多处中弹，遭到重创，轮叶被击毁。
最后关头，“振威”号开足马力向法舰“德斯丹”号冲去，意欲同归于尽。
法舰“费勒斯”号急忙以侧舷炮拦击。“振威”舰锅炉中炮爆炸，船身开始下沉。许寿山仍继续指挥顽强奋战。
外国的目击者描述说：
“这位管驾具有独特的英雄气概，其高贵的抗战自在人的意料中；他留着一尊实弹的炮等待最后一著。当他被打得百孔千疮的船身最后额斜下沉时，他乃拉开引绳从不幸的振威发出嘶嘶而鸣仇深如海的炮弹”，重创敌舰长和两名法国士兵。
这位目击者惊叹，“这一事件在世界最古老的海军纪录上均无先例”。
32岁的许寿山与大副梁祖勋被敌舰机关炮击中，壮烈牺牲。
停泊在港内的中国旧式水师的帆船和炮船根本不是法舰的对手，“但见敌燃一炮，我沉一船”，很快被全部打沉。沿江人民自发组织起来的火攻船也多数被毁。
江上激战持续了三十分钟，到下午2时25分，马江海战结束，中国海军将士阵亡700余人，法国远东舰队司令孤拔也在海战中被击伤，后死于台湾。
船政舰队覆灭后，当日夜间，沿江居民自发驾驶渔船、盐船用水雷等武器对法国舰队发起火攻，整个23日夜间，马江上下火光冲天，雷声、炮声不断。
该战役中福建水师损失惨重，不但主要船舰在该战役中被击毁，剩下的战舰也在日后法军追击下陆续被法舰击沉或被迫自沉，乃至于全军覆没，中国东南沿海与台湾海峡海权拱手让给法军。
而法方参战的中国海舰队在该年与东京湾舰队合并，东向攻打台湾，并在占领基隆夺取该地煤矿，作为封锁台湾海峡的动力来源。
这使得法军得以封锁台湾，占领澎湖，甚至北上威胁北京的清朝政府，迫使其与法国重起谈判。
中法战争后，有鉴于此战教训，清朝更重视沿海海防，自马江海战后，在马尾加强了防御；在闽江口，在琅岐岛建立金牌炮台，并在其对岸建造长门炮台；在闽江两岸之间还有天险南北龟岛，在两岛各设立了两门240大口径阿姆斯特朗岸防要塞炮，三门80格鲁申式速射炮。
斥资购买国外战舰，同时筹组当时亚洲最大的舰队北洋水师。
另一方面，日本海军将官东乡平八郎于该战后不久参访法舰，并随舰队前往基隆、厦门等地考察战况。
有人认为，日后甲午战争黄海海战中，伊东佑亨率领日本海军大败北洋水师的过程也受到法军的启发。
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