威海卫防御的弱点主要在陆路。甲午战争前，驻扎山东半岛沿海一带以拱卫威海后路的陆军共有24营2哨，总兵力12200人，但因海岸线绵长，分扎各处后则兵力分散。中日宣战后，虽经山东巡抚李秉衡极力整顿，总兵力扩充至60营，共约3万人，但因威海后路长约150公里，兵力分布各处，仍显得严重不足。
1895年1月20日拂晓，从大连湾出发的日军第一批运兵船19艘和海军运输船6艘在日本联合舰队13艘军舰的护航下抵达荣成湾。驻守此地的清军不足两营，在日舰猛烈的炮轰下溃退，日军顺利登陆，占领成山和荣成县城。25日，日军主力3万余人全部上岸。26日，日军分兵两路进犯威海卫，右纵队进攻威海南帮炮台，左纵队则配合右纵队切断南帮炮台清军退路，准备攻下南帮炮台后，再从后路抄袭威海卫城和北帮炮台，海军则配合陆军从海港正面进攻，企图一举攻占威海卫，全歼北洋舰队。
1月30日上午，日军右纵队向南岸炮台发起总攻，驻守清军顽强抵抗，停泊港内的“定远”等舰亦开炮助战，经激烈争夺，日军先攻占制高点摩天岭，接着占领南岸所有炮台。在这场争夺战中，清军伤亡2000余人，但日军同样付出重大代价，死伤228人，其陆军少将大寺安纯被击毙。与此同时，日军左纵队向南帮炮台外围清军发起攻击，占领威海南部交通孔道虎山，然后向北推进，与右纵队会合，切断从南帮炮台撤退下来的清军退路。此时已近正午，北洋舰队10余艘舰艇突然驶近南岸杨家滩附近，发起炮击。日军仓皇退逃，死38人，伤51人。日军慑于北洋舰队炮火威力，不敢沿海岸推进，改从西路迂回进攻。2月2日，日军攻占威海卫城，然后分兵进攻北帮炮台。驻守北帮炮台的6营清军已经溃散，威海陆军主将戴宗骞亦愧愤自尽。丁汝昌只得下令炸毁弹药库以免资敌。当天，日军占领北帮炮台。至此，日本陆军全占领南北海岸炮台，海军严密封锁威海港口，完成了对北洋舰队的陆海合围。