攻占壹岐岛后，聂士成深知胜利只是暂时的喘息之机，他立即召集众将，围坐于作战地图前，共商登陆日本本土的大计。左宝贵，这位久经沙场的将领，目光如炬，他缓缓开口：“诸位，如今日本海军仍旧龟缩于吴港之内，若我等贸然率领军舰直捣东京，恐怕时机尚未成熟。吾以为，不如先剪除其羽翼，最后再一举歼灭日本联合舰队。”他顿了一顿，继续说道，“日本九州的佐世保海军基地，实为日军之重要命脉。但据细作来报，因前不久釜山之战日军败退，佐世保基地此刻并无舰队驻守，此乃天赐良机，我军可趁虚而入，摧毁此基地，以免日后日本海军死灰复燃，重占此地。”
聂士成听后，眉头紧锁，思索片刻后，点头赞许。众将亦觉此计甚妙，纷纷附和。于是，决定于次日清晨，派出舰队炮击佐世保基地，同时派遣清军精锐登陆，誓要彻底摧毁这个对日军至关重要的海军基地。
佐世保海军基地，坐落于长崎县北部、九州地区的西北端，其地理位置得天独厚，港湾深入陆地十里，湾口虽窄却足以容纳大军。水域广阔，水深适中，四周山峦环抱，宛如天然屏障。而五岛列岛更是如众星拱月般守护着港湾，使得此地成为舰船隐蔽集结的绝佳之地。其港区布局巧妙，进口航道呈不规则“Y”型，唯一的进口位于西南，四周设有重重防御，可见日军对此地的重视程度。
针对佐世保基地的复杂地形与坚固防御，聂士成与丁汝昌反复商讨，最终商定由北洋舰队从港口入口发起冲击，以重炮轰击其防御设施。而南洋舰队则负责掩护清军步兵，在港口四周的高山上登陆，攻占日军炮台，从而彻底摧毁这个日本海军的重要基地。
九月二十日清晨，随着一声令下，中朝联军炮击佐世保基地的战斗正式打响。北洋舰队的重炮如雷鸣般轰击着港口出入口的设施，水雷与铁链在炮火中纷纷被摧毁，水面上腾起一道道巨大的水柱。由于日军在佐世保基地并无舰队驻守，清军舰队得以毫无阻碍地猛烈轰击其造船厂与山上的日军炮台。
与此同时，港口四周山上的日本陆军虽奋力抵抗，用火炮与清军对射，但终究难以抵挡清军的凌厉攻势。不久，清军已从背后登上了高山，日军炮台顿时陷入腹背受敌的绝境。在清军的猛烈攻击下，日军炮台很快土崩瓦解，守军四散而逃。清军登陆部队迅速占领了日军炮台，将炮台上的海岸炮一一炸毁，彻底破坏了日本佐世保海军基地。
战斗结束后，清军凯旋而归，舰艇上飘扬着胜利的旗帜。此役，不仅极大地削弱了日本海军的实力，更为中朝联军登陆日本本土奠定了坚实的基础。
