日军强渡大同江，向长城里、船桥里、羊角岛、玄武门发动进攻，遭到清军顽强抵抗。
战斗最为激烈的地方是玄武门，负责驻守玄武门的是奉军左宝贵所部。
左宝贵亲自坐镇玄武门，奉军凭依玄武门外的堡垒和牡丹台高地，阻击日军进攻。
牡丹台位于平壤城北角，是一座高五丈的坚固堡垒，台内装备有野炮三门和加特林机关炮，步兵配备七连发步枪，火力强大，且居高临下。日军从三面向牡丹台发起围攻，被清军火力压制，无功而返。
日军集中朔宁支队的炮兵中队和元山支队的炮兵大队，合计二十门大炮，集中火力轰击牡丹台，牡丹台胸墙被毁，清军死伤惨重，牡丹台失守。
奉军统领左宝贵见牡丹台失守，决心以死与日军相拼，他换上了御赐朝服，亲操火炮发弹，不幸被日军榴霰弹弹片击中，以身殉国。奉军所有营官也相继阵亡。
但是，失去长官的奉军依旧坚守在阵地上，日军始终无法在玄武门前进一步。
此时，平壤清军与日军旗鼓相当，清军凭借堡垒防御占据较大优势。日军进攻连连受挫。
是夜，大雨倾盆。清军主帅叶志超丧失信心，竟然召集众将，商议弃城。
朝鲜平安道监司闵丙棘见叶志超要跑，苦苦哀求叶志超坚守平壤，然而，遭到叶志超断然拒绝。
在叶志超的命令下，玄武门、七星门、静海门、大同门打出了白旗。日军停止进攻，派出一名士官，冒雨来到城门下，接洽清军投降。
然而，还没等双方谈判代表见面，军心涣散的清军各部开始擅自逃亡，各路人马从七星门、静海门竞相奔逃，不少官兵翻墙而过，部队各自逃生，完全失去了控制。
败兵从平壤一路向北狂奔，沿途遭到日军围追堵截，清军毫无斗志，一味奔跑，竟然不知道还击。那些在白天还作战勇猛的士兵们，被怯懦的叶志超葬送于逃命的命令中。在日军的乱枪之下，混乱、践踏、被弹、哀嚎、悲泣之声通宵不绝。第二天早上，仅一个日军步哨线前就躺着200多具清军尸体。
平壤战役，清军总共战死2000人，而其中的500人，是死在逃跑的路上。
平壤战役，清军也送给了日军一份大礼：野炮4门，山炮25门，机关炮6门，炮弹900发，连发步枪470支，单发步枪409支，火绳枪20支，手枪5支，子弹76万发，粮米2900石，杂谷2500石。金砖4公斤，金锭5公斤，银锭540公斤。
平壤战役开战之前，日军并没有百分之百的把握。按照大本营的计划，山县有朋第一军的作战任务，是将清军逐出朝鲜，从而完成对朝鲜的占领，所以，平壤作战将是驻朝日军的最后一战。但是，平壤会战结束后，清军的脆弱暴露无遗，山县有朋相信，大清**队根本就没有保卫国家的能力，进而，坚定了将战火燃烧到大清国本土的决心！
西方军事武官对清军做出如下评述：“作为远东大国的国家军队，清军显然不具备现代军队的素质，尽管他们拥有洋式精良装备，但战术陈腐，将官和士兵缺乏军人应有的斗志，清军是一支不堪一击的军队！”
溃败的清军向义州城狂奔而去。
义州背靠鸭绿江，前临平原，地势平缓，无险可守，义州城本是一座小城，城墙低矮，而且破败不堪。
9月9日，李鸿章向光绪皇帝上奏，建议集结赴朝部队在义州布阵，阻敌于国门之外。
然而，还没等光绪下旨，叶志超就带着败兵穿过义州城，逃到了鸭绿江西岸的九连城。
坚守义州的命令到达的时候，义州城里，只剩下一支奇怪的部队。
这支部队衣衫褴褛，面容憔悴，装备稀奇古怪，大部分人拿着大刀长矛锄头镰刀，里面有清兵，但绝大多数是朝鲜百姓。
这就是周宪章的章字营和东学教教众。
西历94年9月25日，从虎飞岭突围而出的章字营进入义州城，那个时候，义州城并不是一座空城。
义州城还有两支部队，正在拔枪相向。
参将张勋和他的部属，被卫汝贵的盛军包围在义州城南门外，陷入绝境。
张勋所部，原本属四川提督宋庆的毅军，6月中旬，张勋奉宋庆之命，以护送周宪章过江为名，率三个营一千五百人，渡过鸭绿江，前往牙山增援叶志超。
然而，一踏上朝鲜的土地，这支毅军就陷入崇山峻岭之中，与前哨周宪章所部失去了联系，行进极为缓慢。
好不容易钻出了大山，到达平壤，就听到了叶志超在成欢战败的消息，日军占领的京城，控制了朝鲜南部，张勋只好停在平壤，等待叶志超的败兵。
不久，先期入朝的左宝贵所部奉军听闻叶志超的败报，也从沙里院后撤到平壤。紧接着，叶志超和聂士成的败兵也逃回平壤，与此同时，奉命渡江增援朝鲜战场的卫汝贵盛军、马玉昆毅字军、丰升阿盛字练军以及其他部队相继到达平壤，平壤成了一座大兵营。