1880年李鸿章为建设北洋水师而搜集人才,因邓世昌“熟悉管驾事宜,为水师中不易得之才”而将其调至北洋属下,先后担任“飞霆”、“镇南”蚊炮船管带。同年冬天北洋在英国定购的“扬威”、“超勇”两艘巡洋舰完工,丁汝昌水师官兵200余人赴英国接舰,邓世昌随往。1881年11月安然抵达大沽口,这是中国海军首次完成北大西洋——地中海——苏伊士运河——印度洋——西太平洋航线,大大增强了中国的国际影响,邓世昌因驾舰有功被清廷授予“勃勇巴图鲁”勇名,并被任命为“扬威”舰管带。
1887年春,邓世昌率队赴英国接收清政府向英、德订造的“致远”、“靖远”、“经远”、“来远”四艘巡洋舰,是年底回国。归途中,邓世昌沿徒安排舰队操演练习。因接舰有功,升副将,获加总兵衔,任“致远”舰管带。1888年,邓世昌以总兵记名简放,并加提督衔。是年10月,北洋海军正式组建成军,邓世昌升至中军中营副将,1891年,李鸿章检阅北洋海军,邓世昌因训练有功,获“葛尔萨巴图鲁”勇名。
1894年9月17日在大东沟海战中,邓世昌指挥“致远”舰奋勇作战,后在日舰围攻下,“致远”多处受伤全舰燃起大火,船身倾斜。邓世昌鼓励全舰官兵道:“吾辈从军卫国,早置生死于度外,今日之事,有死而已!”“倭舰专恃吉野,苟沉此舰,足以夺其气而成事”,毅然驾舰全速撞向日本主力舰“吉野”号右舷,决意与敌同归于尽。倭舰官兵见状大惊失色,集中炮火向“致远”射击,不幸一发炮弹击中“致远”舰的鱼雷发射管,管内鱼雷发生爆炸导致“致远”舰沉没。邓世昌坠落海中后,其随从以救生圈相救,被他拒绝,并说:“我立志杀敌报国,今死于海,义也,何求生为!”,所养的爱犬“太阳”亦游至其旁,口衔其臂以救,邓世昌誓与军舰共存亡,毅然按犬首入水,自己亦同沉没于波涛之中,与全舰官兵250余人一同壮烈殉国。