日军向平壤的进攻共分四路，采取分进合击，四面包围的战术：

清军在平壤的防守部署是：

在这场战役中，清军占得优势更大。首先是地形优势，平壤是朝鲜平安道首府，山环水抱，城墙高大坚固。共有城门六座：南为朱雀门，西南为静海门，西北为七星门，北为玄武门，东为长庆门，东南为大同门。玄武门跨牡丹峰修筑，由于牡丹台紧靠城墙，因而成了守卫平壤的关键，城东又倚大同江为天险，总之平壤城地势险要，易守难攻。其次清军兵员、武器、粮食都很充足，足以以逸待劳，击退来犯之敌。另外，朝鲜官民也大力支持清军，清军入驻平壤后“朝鲜难民、义团等箪食壶浆，馈遗不绝”，平安道观察使闵丙奭积极协助清军作战，而在汉城的朝鲜统治者兴宣大院君李昰应亦暗中向清军传递情报，企图里应外合击退日军。反观日军，并不得朝鲜人心，日本史料记载“所有地方之韩人见我军则回避逃匿”，被日军强征来的朝鲜夫役，“皆怀畏怖，不肯服役，强使服役则中途逃窜，比比皆是。因此，我北进各队及元山支队，其行进途中备尝给养缺乏之苦。师团本队除粗米饭外，副食毫无，仅以一匙之盐，供数日之食”。一路上还不断遇到朝鲜人的偷袭。然而，即便清军有这些优势，并未主动进击，扭转战局，特别是清军军纪败坏，令原本盛情欢迎的朝鲜民众寒心，正如目击平壤之战的朝鲜人朴殷植所说：“始清兵渡江，我民争箪壶迎馈，而乃肆盗掠，大失民望”。总之，清军没有充分利用这些优势，最终导致清军失败，以至于影响了整个战局。

当日军向平壤进发时，清军并无积极措施，8月31日，叶志超电告李鸿章，主张“俟兵齐秋收后合力前进”，李鸿章竟认为是“老成之见”。直到闵丙奭电告日军正向平壤扑来，李鸿章才意识到事态严重性，急电叶志超“预备进占”，光绪帝也对叶志超很不悦，下旨要平壤清军“不得以兵未全到，束手以待敌人之攻，而于敌之分兵修道，听其自由往来，不思半济而击之术也”。叶志超只得命各军加强派哨，探敌行踪。9月6日，左宝贵派奉军哨官傅殿魁率骑兵一哨出探，进至黄州东5里时，与日军第九混成旅团先头部队一户兵卫步兵少佐所率第十一联队第一大队遭遇，双方交火后，奉军以敌我悬殊太大，即撤队回营报告。当天，叶志超获悉日军大队即将来攻，便召集卫、左、马、丰等将领会议，决定各军抽调八成队，合计7000余人，酌带行粮，于9月7日晨渡江至中和郡，相机迎击；各营留二成队，仍扎平壤老营，在中和，清军因夜黑看不清，竟自相残杀，死20人，伤100余人。叶志超便于当天飞函前敌调各军回防，从此，各军坚匿平壤，龟缩不出。而日军则利用这个机会顺利完成了对平壤城的包围。

日本第一军司令官山县有朋大将于平壤之战的前两天到达汉城时，即向麾下的军官们训示：“万一战局极端困难，也绝不为敌人所生擒，宁可清白一死，以示日本男儿之气节，保全日本男儿之名誉。”虽说是为了激励日军将土发扬武士道精神，却也透露了他作为日军主帅，对取得这次战役的胜利并无绝对的把握。9月13日，四路日军均已逼近平壤，元山支队进至顺安，切断了清军退往义州的后路。14日晨，元山、朔宁两支队一齐发起攻击，攻占城北山顶清军营垒数座。左宝贵亲自督队争夺，受叶志超掣肘未能成功，只得率部退入城内。当晚，叶志超见城北形势危急，主张弃城逃跑，他说：“敌人乘胜大至，锋芒正锐，我军弹药不齐，地势不熟，不如各整队伍暂退叆州，养精蓄锐，以图后举。”当时诸将依违参半，惟左宝贵痛斥：“敌人悬军长驱，正宜出奇痛击，使只轮弗返，不敢窥觎中原。朝廷设机器，养军兵，每岁靡金钱数十万，正为今日耳，若不战而退，何以对朝鲜而报国家哉？大丈夫建业立功，在此一举！至成败利钝，不遑计也。”他慷慨陈词，怒色形面，恳望叶志超“同心合力，共济时艰”。左宝贵遂派亲军监视叶志超，防止其逃跑。主帅失去作用，清军在之后可以说是各自为战，也为清军的失败埋下伏笔。

1894年9月15日晨，日军按计划发动总攻。战役在三个战场展开：其一为大同江南岸（船桥里）战场；其二为玄武门外战场；其三为城西南战场。9月15日凌晨3时，大岛义昌指挥的日军第九混成旅团分左、中、右三路向大同江南岸守垒清军发起进攻。马玉昆指挥的守垒清军立即进行自卫还击，大同江北岸清军大炮也隔江遥击，炮火极为猛烈。日军进攻部队暴露在垒前开阔地面，毫无掩蔽，伤亡惨重。日军督队官下令“宁死勿退”，驱赶士兵，拼死冲击。士兵被迫冒死向大道两傍左、右翼堡垒发起冲锋。守卫在大同江渡口桥头堡及江北各垒清军，互相配合，猛烈夹击日军，日军死伤甚多。清军见状，从垒内冲出，发起反击。日军立现踌蹰之色，逡巡后退。日军司令官挥刀督战，不准士兵后退，两军展开白刃格斗。在双方步兵进行鏖战的同时，两军炮兵也展开激烈的炮战。对射不久，日军“炮兵中队山本大尉以下二十四名被杀伤”。同时，清军派出增援部队，补充了弹药，士气大振，火力愈强。而日军自凌晨零时由宿营地出发，战斗已逾半日，早餐未进，饮水全无，士兵饥疲不堪，弹药亦将用尽。尤其“中央队战线弹药全部用尽，且将校多数伤亡”，已无力再战。至午后1时，大岛义昌只得下令退却。午后2时，日军全部狼狈退离战场。这次进攻，日军混成第九旅团“将校以下死者约一百四十名，伤者约二百九十名”。大同江南岸（船桥里）战斗被评价为清军在“甲午战争的陆战中打得最好的一次战斗”，而日本人也为此作诗哀叹道：“此役不克旗下死，呜呼苦战船桥里”。

玄武门、牡丹台一线是日军的主攻方向，参加进攻的日军为朔宁、元山两个支队，兵力最多，是清军防守部队的2.7倍。9月15日凌晨4时许，朔宁支队向玄武门外东北方牡丹台外侧清军的两处堡垒发起进攻；元山支队于同时向牡丹台外侧西北方清军两处堡垒发起攻击。守垒清军进行顽强抵抗。6时20分左右，“彼我之枪炮声最为炽盛，硝烟与朝雾相混，几乎咫尺莫辨”。奉军总统左宝贵“自城上指挥，我军力御之，倭人死伤无数，仍猛进”。元山支队集中炮火向牡丹台外西北方最外一垒猛轰，堡垒被毁，清军被迫于6时50分退走。不久，第二垒也在日军攻击下弃守。7时15分，元山支队占领了牡丹台西北方外二垒后，又端掉了江自康所部清军防守的箕子陵阵地，直趋牡丹台下。在元山支队进攻牡丹台外西北二堡垒时，朔宁支队也向东北二堡垒发起攻击。日将立见尚文首先派两个中队步兵向最东北方堡垒冲击。清军凭垒据守，战至7时半左右，清军放弃堡垒。这样，余下的牡丹台东北另一个堡垒，处于孤立无援地位。日军的“山炮榴霰弹频频在垒上爆炸”，但清军仍坚阵应战，“抵抗颇强”，一直战斗到8时才撤出堡垒。至此，从外侧掩护牡丹台、玄武门的清军四处堡垒和箕子陵阵地，全部落于日军之手。日军元山、朔宁两个支队合兵一处，从东、北、西三个方向包抄牡丹台，对牡丹台守军实行三面合击。牡丹台是平壤城的制高点，“据全城形胜”，牡丹台失守，全城遭受威胁，所以日军早已注目于此，因此集中朔宁、元山两个支队兵力，企图一举夺占。日军占领外围堡垒后，立即用排炮向牡丹台据点集中轰击，掩护步兵进攻。清军在左宝贵指挥下，凭险拒守，“以全力持之”，用速射炮向进攻之日本步兵猛烈还击，日军“战斗颇为困难”。为支援步兵冲锋，日军炮兵“专注我牡丹台垒排轰”，牡丹台外城连中三发榴霰弹，堡垒胸墙被毁，速射炮也被击坏，清军死伤甚重。日军乘势发起冲锋，蚁附而上，晨8时30分牡丹台终于陷落。正在玄武门指挥作战的清军将领左宝贵见牡丹台失守，“知势已瓦解，志必死”，为表示誓与平壤共存亡的决心，身穿黄马褂，继续指挥战斗，他先中两枪，仍在指挥，最后中炮阵亡。日军占领牡丹台堡垒后，立即列炮于垒上，向玄武门轰击。不久，玄武门城楼被击毁，仅余四柱，兀然耸立城头，清军火力顿衰。日军乘势派一小队士兵潜奔城下，由玄武门旁侧用绳梯猱升而上，清朝守军惊散。日军夺占玄武门，向城内推进，遭到城内清军的狙击。日军不知虚实，其将领立见尚文见一时难以攻进内城，便派飞骑传令，命进入玄武门的部队悉撤至城北高地，以观清军动静。这样，玄武门的战斗随即停了下来。

在城西南战场，进攻这一线的日军为野津道贯率领的第五师团本队。该部于晨7时到达平壤西南之山川洞，立即列炮于丘陵上向清军射击。并出动步兵向清军堡垒冲锋，但未能得手。清军两度派出马队进行反击，也被占据有利地形的日军击退。据日方统计，清军骑兵队两次冲击，有273头战马被击毙，士兵则战死130余名。由于这一线清军堡垒多而坚固，日军山炮无力摧毁。至中午时，两军实际上处于休战状态。清军见出战不利，便依靠堡垒坚守，使日军难越雷池一步。野津道贯派落合兼知步兵大尉侦察清军动静，归报说：“清兵犹在，阵地不动。”此时中午已过，野津不知其他战场的情况，所收到的报告都说：“敌兵善战，平壤防守甚固”，于是与师团参谋长上田有泽步兵大佐、参谋福岛安正中佐等相商，而皆一筹莫展。野津忿忿地说：“我今率兵于千里之外与敌作战，蕞尔此城，竟不能陷之，有何面目归谒我天皇陛下？我意巳决，明日之战，举全军以进逼城下，冒敌弹，攀胸墙。胜败在此一举！我军幸得陷城，我愿足矣；如若不幸败绩，平壤城下即我葬身之处！”于是，下令停战，以待明日。两军遂处于休战的状态。

到午后2时，平壤的三个战场的基本形势是：大同江南岸战场，马玉昆所部毅军击溃了日军进攻，获得胜利；西南战场，胜负未分；只有城北玄武门战场各垒被攻陷，牡丹台、玄武门失守，但日军尚未入城，对清军来说战事犹有可为。而且当时日军已战死189人，伤516人，清军的伤亡并不比日军多多少。且清军弹药、粮食足以守城1个月，而日军弹药、粮食即将告罄，加上当时平壤已经开始下雨，日军冒雨露宿，处境极为困难。如清军决心坚守，战局很可能发生转机。但是，牡丹台、玄武门的失守和左宝贵的阵亡，使清军主帅叶志超吓破了胆。他与众将商议，决定弃城逃走，说：“北门咽喉既失，弹药不齐，转运不通，军心惊惧，若敌兵连夜攻击，何以御之？不若暂弃平壤，令彼骄心，养我锐志，再图大举，一气成功也。”只有马玉昆提出异议，但叶志超不听。下午4时许，叶志超遂以朝鲜平安道监司闵丙奭的名义，派一朝鲜人冒雨送书于日军元山支队阵中，表示愿意弃城撤退。佐藤正大佐接书读之，然信被雨打湿而不可读，佐藤正又付之传令骑兵，送达于朔宁支队立见尚文少将。立见阅之未毕，已见平壤各门皆已悬白旗。

于是，立见尚文少将一面命元山支队至七星门外，一面亲与旅团副官桂大尉共率一个小队下牡丹台，入玄武门而至小窦门外，要求门内清兵打开城门。以言语不通，故用笔谈，桂大尉即用铅笔在纸片上写道：“若降服，可允。应速开城门，集中兵器缴于我军；否则，即攻取之。”自门隙递于门内。清兵亦书于纸上答以：“降雨甚，刻下兵多，难以速散，当期明朝，开放此门。”日军料定清军此夜必逃，便在义州、甑山大道要隘设下埋伏，要击清兵。

1894年9月15日夜8时，清军开始撤退。叶志超先已密传各营，轻装持械，趋夜而退。因事出匆忙，未能周知，加以大雨倾盆，清兵冒雨结队成群，或自七星门、静海门蜂拥而出，或由城墙攀越而去；或取甑山大道而走海岸，或由义州大道而向北奔。而日军元山支队埋伏于义州大道，第五师团主力部队则埋伏于甑山大道，以截击撤逃的清军。自15日晚间8时至翌日拂晓，清兵络绎不绝，急奔直冲，结果走到埋伏圈，就遭日军枪炮袭击，清兵“回旋不得出，以避弹故，团集愈紧，死亡愈众”。据亲历此役的盛军官员栾述善记述当时情况说：“阴云密布，大雨倾盆。兵勇冒雨西行，恍似惊弓之鸟，不问路径，结队直冲。而敌兵忽闻人马奔腾，疑为劫寨，各施枪炮，拦路截杀。各山口把守严密，势如地网天罗，数次横冲，无隙可入。且前军遇敌击，只好回头向后；而后兵欲逃身命，直顾奔前。进退往来，颇形拥挤。黑夜昏暗，南北不分。如是彼来兵不问前面是敌人抑是己军，放枪持刀，混乱相杀，深可怜悯。前行士卒，既遭敌枪，又中己炮，自相践踏，冤屈谁知？当此之时，寻父觅子，呼兄唤弟，鬼哭神号，震动田野。人地稍熟者，觅朝鲜土人引路，均已脱网，惊惧无措，非投水自溺，则引刃自戕，甚至觅石碣碰头，人树林悬颈。死尸遍地，血水成渠，惨目伤心，不堪言状！”

天明后，日军巡阅战场，仅箕子陵附近，二三百步间，清兵人马尸体，累累如山，埋没道路，溪流为红。其尸体最为密集堆积者，在五十步以内伏尸百二十，毙马三十头，互相枕藉。据统计，仅仅在此一夜之间，清军在逃跑路上被击毙者达1500多人，并有683人被俘。其中，有119人系因伤被俘，25人伤重而死，3人病死，47人因企图逃跑而被日军枪杀。清军被日军虏获的军火、弹药、粮食及其他各种物资不计其数。9月16日晨，日军元山支队和朔宁支队入城，山呼天皇万岁，城中不仅无清兵一兵一卒，朝鲜居民也纷纷逃散，“这样大的一个城池，极少看到韩人的影子，满街都是生气勃勃的日军士兵”。清军退至顺安时，又遭日军拦击，损失惨重。而叶志超则马不停蹄，一夜狂奔五百里，于16日逃至安州，在安州向朝廷谎报军情称：“倭人遽以三四万之众猛扑环攻”，“苦战五昼夜”，“子尽粮绝，退出平壤”。然后又往义州逃跑，于21日渡鸭绿江逃到中国境内。至9月24日，清军全部退过鸭绿江，日军完全控制了朝鲜半岛。

整个平壤之战持续时间很短，以清军大败告终，清军死亡近2000人，被俘数百人，而日军仅以伤亡700人左右的代价夺取了朝鲜北部重镇——平壤。平壤之战是甲午战争宣战后的首次战役，也是战争中中日两国陆军第一次大兵团作战，对整个战局影响深远。9月15日平壤之战与9月17日的黄海海战一起构成为中日甲午战争的转折点。日军通过战胜清军而控制了整个朝鲜，完全掌握了战争的主动权，士气大振，并把战火烧至鸭绿江，进一步侵略中国。而中国的势力则因此战役而被逐出朝鲜，并且致使元气大伤，一蹶不振，其后陆战几乎连战连败，导致了甲午中日战争的全面失败。

平壤之战后，清政府一度听信了叶志超的虚假战报，降旨慰勉，其后被御史揭发其捏造战功，被判斩监候。盛军统帅卫汝贵亦以“临敌退缩，以致全军溃败”、“克扣军饷”、“纵兵抢掠”的罪名被处斩。而左宝贵则被光绪帝追赠太子少保衔，赐谥号“忠壮”。9月16日，日本明治天皇赐谕嘉奖平壤大捷，接着日军进一步推进，将战火烧至中国境内。

平壤之战的结果完全是由于清政府的腐败和前敌主帅昏聩无能造成的。从战略上看，清政府执行消极抵抗政策，没有与敌人血战到底的勇气和决心，一味坚持保守方针，致使15000名清军株守平壤，坐待敌人进攻。从作战指挥上看，清军更是无所作为。在战争已经开始，敌人进攻在即的时候，清政府任命成欢之战逃将叶志超为各军总统，作为前敌主帅。叶志超贪生怕死，庸懦怯敌，既不敢驱军南下，主动歼敌，也没有保卫平壤的决心，一经接仗，精神先溃，再次率先逃跑，致使军心大乱，在撤退过程中多次被日军截击，死伤枕籍。平壤之战失败，叶志超确应负主要责任。至于日军方面，早将清军底牌摸清，知其“全军一意困守平壤”，“盖彼极短于野战。窥其所长，唯有守城之法耳”，故能按原定计划稳步推进，凭借优势火力和组织完善、训练有素的军队打败清军。