时间到了8月中旬，朝鲜平壤一带，清朝和日本双方已经做完了大战前的最后准备。平壤原是朝鲜旧都，是朝鲜北部水陆交通枢纽和战略重镇，位于大同江西岸，山环水抱，形势险要，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。玄武门跨牡丹台山修筑。
驻守平壤的清军共三十五营，一万七千人，大部分都可以算的上是淮军最精锐的部队，总共划为四个防区：城北防区由左宝贵所部奉军和丰升阿所部盛军等驻守；城西防区由牙山军驻守；城南防区由卫汝贵所部盛军和毅军之一部驻守；城东南大同江东岸防区由马玉昆所部毅军驻军；叶志超坐镇城内，居中调度。
平壤城的地势也非常险要，易守难攻。而且清军还得到朝鲜人民的支持。虽然朝鲜政府被强行拉到日本阵营，但朝鲜的平安道观察使闵炳?]积极协助清军作战，甚至连日本推上台的傀儡大院君李?g应都暗中给清军传递情报。 日军后续部队还在向朝鲜运送之中，使得进攻平壤的日军只有一万六千多人，双方兵力旗鼓相当。在朝鲜的日军决定将1.6万日军分作四路进攻平壤。
具体部署是：陆军少将大岛义昌率新得到补充的陆军第九混成旅团5000日军由汉城出发，沿大道指向平壤东南，从正面进攻；野津道贯率兵5000渡大同江下游，进攻平壤西南；陆军少将立见尚文率兵2000渡大同江进攻平壤东北。陆军大佐佐藤正率兵3000自元山登陆，攻平壤北部，截断清军后路。
在平壤城内的清军指挥部，得知日军兵分四路，总兵左宝贵对着叶志超说道：“日军分四路围攻平壤，兵力分散，我们正好可以集中兵力歼灭其一路日军！”
马玉昆和聂士成等清军将领也认为可以主动出击，攻打日军。
但是叶志超却对着清军将领们说：“李鸿章大人吩咐过，要先定守局，再图进取，所以我军首要任务是守住平壤城！”
左宝贵等将领继续劝叶志超，希望趁着日军分兵，攻打日军。
但是叶志超全然不顾清军其他将领的建议，左宝贵等人攻打日军的行动不断遭到叶志超的阻挠。9月13日，一万六千多人的日军，按照原定计划顺利完成了对平壤的包围。 战斗在三个战场同时展开：其一为大同江南岸战场。14日早晨3点，日军陆军第九混成旅团在大岛义昌少将的指挥下，首先向大同江南岸清军发起进攻。
日本陆军第九混成旅团，在前些日子的成欢之战中，遭到了重创，从日本本土补充了大量的预备役士兵，才重新有了战斗力。
当日军冲过大同江，遭到了清军的激烈抵抗，拥有连发快枪和加特林机枪的清军，给日军第9旅团带来了大量的伤亡。
日军中、右两队武田秀山中佐和西岛助义中佐拼命督战，好不容易攻陷了左右两翼的堡垒。但随即遭到清军的步炮协同夹击，再遭重创。
日军又重新组织进攻，甚至旅团长大岛义昌少将都亲自带队冲锋，可是扼守大同江东岸的马玉昆部奋力抵抗，关键时刻与进攻日军展开肉搏，自清晨至午后，使得日军第九混成旅团终究攻不下马玉昆所部的阵地。
这一仗，刚刚补充了兵力的日军第九混成旅团遭受了重大伤亡，将校以下死者约500余名，伤者约400余人，中队长级大尉军官被击毙4名，少尉军官被击毙6名。第9混成旅团长大岛义昌少将、第21联队长西岛助义中佐、炮兵第5联队第3大队长永田龟少佐均被击伤。
其二为平壤城玄武门外的战场，为日军的主攻方向，因此集中了优势兵力，由立见尚文少将的第十旅团和佐藤正大佐的第十八联队担任主攻。
高州镇总兵左宝贵亲自登玄武口指挥，战至上午，日军先后攻破玄武门外的五座堡垒，并向玄武门猛烈突击。左宝贵为表示誓与平壤共存亡的决心，身穿黄马褂，在玄武门上指挥士兵射击敌人，拒绝部下劝他下城躲避的要求，亲自点燃大炮，轰击日军，身上负伤多处，仍奋勇撑持。清军部下感奋，皆激昂作战。可惜战斗中左宝贵被流弹击中胸部，中炮阵亡。
其部下三位营官也先后阵亡，午后二时玄武门遂被日军攻陷。日军向城内推进，但是依然遭到清军的奋力抵抗，日军只得退守玄武门。
其三在城西南战场，野津道贯亲率日本第五师团本队，于晨七时从平壤西南用炮火掩护步兵冲锋，卫汝贵所部盛军和毅军一部顽强抵抗，清军马队还进行了反击，杀伤大量日军。至中午，野津道贯见难以得手，下令暂停攻击，退回驻地。
本来这时清军虽然也伤亡很大，但是日军的伤亡更大，如果清军继续坚守下去，两军胜负难料！但是总指挥叶志超贪生怕死，在战局胶着的情况下，不是部署力量加强防守，而是让部将在城头竖起白旗投降，并下令全军撤退。
当时东西两路清军已将进攻之敌击溃，正准备乘胜出击，接到撤军命令后只得率部回城。总指挥叶志超对日军惧骇不已，决定乘雨夜弃城北逃。当晚，清军从平壤城七星门和静海门蜂拥外出，沿义州大道向北溃退。
日本得知清军竟然逃走了，顿时欣喜若狂，不但轻易占据平壤城，还在清兵的退路上设下埋伏。当天雨夜，撤退的清军中伏，阵脚大乱，人马自相践踏，死亡近2000人，被俘800余人。撤退途中清军丢弃火炮40门，新式步枪万余支、弹药、粮饷和其它物资无数，尽数为日军所得，平壤之战以清军大败告终。
清廷得知平壤之战大败，顿时满朝震惊，命令李鸿章派援军增援朝鲜。