圣地亚哥，古巴的第二大城市，位于古巴岛东部，地理位置类似中国的上海。般的水雷阵掩护，加固了岸防火炮，带着九艘西班牙战舰躲在港口不出战。
北洋舰队副司令马吉芬率领“定远”号、“济远”号、“广甲”号等八艘军舰开进圣地亚哥的外海，对圣地亚哥城严密封锁。此时，古巴的起义军在戈麦斯·伊·巴埃斯领导下，正带领四万起义军在城里的热带雨林里跟驻守圣地亚哥的三万名西班牙陆军打游击战。
这三万陆军是西班牙驻古巴二十万陆军中还能战斗的精锐。刘永福便派人跟巴埃斯带领的古巴起义军会谈，协同作战。达成协议后，刘永福的黑旗新军一万五千名勇士，在北洋舰队的强势炮火掩护下，于圣地亚哥以东顺利登陆，并向向圣地亚哥城东的制高点圣胡安山和埃尔卡内发起猛攻。
一百门克虏伯大炮在圣胡安山一字排开，对着西班牙军队的战壕猛轰，西班牙军的战场浓烟滚滚。刘永福身先士卒，一马当先，冲出战壕，黑旗军经过一天激烈的白刃战，在傍晚时分。攻占圣胡安山，接着，黑旗军浴血奋战，埃尔卡内也被中国的军队攻占。
占领了圣胡安山，黑旗军在山上就可以架起重炮。俯视整个圣地亚哥城，西班牙军极为被动。不得不在第二天展开反攻，企图夺回丢失的阵地。圣地亚哥骑士团的五千骑兵，头戴四角帽，身着白色披风。上绘红色剑型十字，手握长剑，握柄和护手末端呈百合花状，如潮水冲向黑旗军的阵地。
刘永福沉着指挥黑旗军应战，命令步军的来复枪营组成方阵，一排一排上前射击，“砰砰”的枪声响了一晚上。西班牙骑兵们死伤过千，还是往前猛冲。黑旗军的子弹快打完了，枪管打坏了，刘永福一咬牙。提着大刀，带着两千黑旗军骑马冲杀出去。
这时的西班牙骑士团，在古巴拥有大量田庄和财产，生活安逸，跟满清八旗军一样，早就没多少战斗力，而肉搏战，反而是黑旗军的拿手好戏。双方展开了开拉锯战，刘永福的大刀都刀刃都砍崩了，西班牙骑士团人头滚滚，鲜血染红了白袍，最后西班牙骑士溃退，西班牙后续援军赶来，继续厮杀混战，但最终，西班牙被刘永福的黑旗军杀败。不过这场战斗异常残酷，西班牙军队死伤八千多人，而黑旗军自身也伤亡达17人。
巴埃斯领导的起义军，一看黑旗军大胜西班牙军，纷纷带着火铳和弓箭钻出热带雨林，袭扰西班牙军队的后方。大西洋舰队司令塞尔维拉眼看陆军守不住圣地亚哥城，他决定率领九艘西班牙军舰趁早上海面的浓雾突围。
这时刘步蟾的舰队也赶来了圣地亚哥，中国15艘战舰，西军仅9艘军舰。上午，阳光穿透了厚厚的云层，薄雾散尽，金色的阳光铺满加勒比海蔚蓝色的海面。
中国舰队和西班牙舰队在圣地亚哥湾展开了激烈海战。刘步蟾下令军舰抢先攻击，北洋舰队的火力既猛又打得远，每次齐射的炮弹总重量为3万磅，西军齐射一次仅6磅，形势对北洋舰队有利。
西班牙舰队的旗舰是“玛丽亚·特雷莎公主”号装甲巡洋舰，19年由西班牙造船厂开工建造，193年竣工，长112米，宽2米，排水量69吨，舰长为西班牙海军少将维科特·肯塔斯，装备有2门11英寸口径主炮，1门5英寸副炮，还有门57毫米的哈乞开斯速射炮，门37毫米的哈乞开斯炮，2门22毫米的机关炮，个鱼雷发射管，航速2节，此舰的吨位、火力、航速都和北洋舰队的“定远”号差不多，战斗力不容小视。
但西班牙海军的训练和维护水平，跟中国历史上丁汝昌领导下的北洋舰队差不多。西班牙人很怀念当年称霸全球的“无敌舰队”，在船上装饰有大量传统的木制装饰品，这使得它在海战中非常容易起火，它还有一些火炮从来没有发射过。刘步蟾在“镇远”号上，用双筒望远镜观察到“玛丽亚·特雷莎公主”号这一弱点，集中火炮攻击“玛丽亚·特雷莎公主”号上的木制部位，很快，熊熊的大火就将这艘旗舰的炮台烧毁，浓浓的黑烟在圣地亚哥湾升起。
西班牙大西洋舰队的“阿尔米兰特·奥肯多”号装甲巡洋舰，系“玛丽亚·特雷莎公主”号同级舰，两者吨位、火炮差不多，但19年春天才到达哈瓦那，由于长途航行，“阿尔米兰特·奥肯多”号船壳遍布浮游生物和贝壳，又缺乏维护设施，严重影响了它的航速，下降到14节。在圣地亚哥大海战中，“阿尔米兰特·奥肯多”号遭到航速二十三节的中国“苏州号”追击，中了43发57毫米炮弹，其大部分舱面人员伤亡，还有3发23毫米、1发152毫米、1发127毫米、9发12毫米炮弹使其严重受创，受伤的舰长命令弃船，战舰在离圣地亚哥12公里的地方沉没，船上12名西班牙海军丧生。
西班牙军舰的第三艘装甲巡洋舰是“比斯卡亚”号，也是“玛丽亚特雷莎公主”号同级舰，在圣地亚哥海战中，该舰遭受重创，为了挽救船员们的生命，舰长下令降旗投降。并亲手点燃炸药，将船炸毁。
“克里斯托瓦尔·科隆”号装甲巡洋舰是西班牙195年找英国阿姆斯