至開戰前，先後進入馬尾港的法國軍艦有10艘，總噸位約15000噸，裝備火炮77門。
而中國軍艦雖有11艘，但大部分都是輕型炮艦，所有艦隻總噸位僅9800餘噸，裝備火炮也隻有50餘門。
且中國艦隊的軍艦大都采用立式蒸汽機，機器在水線之上，雖然可以多裝貨物（很多當時的軍艦，是軍用和商用的多用途艦船），但是沒有裝甲保護，極易被破壞。
裝備的火炮又基本都是前膛炮，既沒有裝甲，威力、射速又都不如法國軍艦裝備的後膛炮。
更為不利的是，法國艦隊還裝備了當時的新式武器——機關炮、杆雷艇。
當時，法國擁有9艘軍艦，共計14514噸，擺在羅星塔的南麵和東南，另有魚雷艇2艘。
還有兩艘軍艦在金牌、琯頭一帶江麵，阻止清軍塞江封口，保障後路安全。
參戰法艦共有重炮71門，還有不少射速為每分鍾60發的哈齊開斯機關炮，官兵共有1790人。
福建水師擁有11艘軍艦，共計9800噸，炮47門(大口徑炮很少)，官兵1176人。福建水師8艘戰艦停泊在馬江邊的羅星塔之西，3艘停在羅星塔之東。
從噸位、防護能力、重炮數量、兵員素質等方麵比較，中法兩國海軍實力懸殊，法國艦隊顯然占有優勢。
當日13時56分，孤拔趁落潮的有利時機，指揮法艦突然襲擊福建水師。福建水師艦隻未及起錨，就被法艦第一排炮彈擊沉兩艘，重創多艘。
戰鬥開始後，張佩綸竟嚇得神慌意亂，暈倒在地，由隨從扶起逃命。
駐福州的福建巡撫張兆棟以及旗艦“揚武”號管帶兼艦隊指揮張成，也都先後逃之夭夭。
在十分不利的情況下，福建水師下層官兵卻英勇還擊。
旗艦“揚武”號(福建水師中唯一的一艘輕巡洋艦)，雖受重傷，船身犄斜，勢將及溺，仍發尾炮準確地擊中法國旗艦“富爾達”號，擊斃其引水員和水手5人。
由於實力相差懸殊，江麵戰鬥僅進行了近半小時，就以清軍的失敗而告終。福建水師軍艦11艘、運輸船19艘，全被法艦擊沉、擊毀，官兵陣亡521人，受傷150人，下落不明者51人。
法軍僅死5人，受傷27人，有兩艘魚雷艇受重傷，其餘為輕傷。
七月初四上午，部分法軍炮艦乘漲潮上駛，用大炮轟毀福州造船廠，使之變成一片瓦爍。七月初五，法海軍陸戰隊一部在羅星塔登陸，奪去了3門克虜伯大炮。
此後幾天，法艦駛向下遊，逐次轟擊閩江兩岸炮台，炸毀無數民房，然後魚貫而出，退至馬祖澳(定海灣)。
馬尾海戰的慘敗，主要是清朝政府妥協政策和前敵將領昏聵畏敵造成的，也是中國軍事技術落後於法國的結果。
當時，福建船政的艦船有8艘環衛艦船：運輸艦“永保”、“琛航”泊於船廠水坪前；旗艦“揚武”率炮艦“福星”、“福勝”、“建勝”、“伏波”、“藝新”泊於羅星塔上遊與法艦相拒；另外3艘炮艦“振威”、“飛雲”、“濟安”泊於羅星塔下遊海關附近。
此外，還有10餘艘綠營福建水師的舊式師船和許多武裝舢板，分別停泊於羅星塔南側。
法國軍艦與船政艦隊相距僅有數百公尺，對中國軍艦形成南北夾擊之勢，所以進攻是從兩個方向同時開始的。