一、 双方作战方针及部署
日本大本营为迅速获得制海权，于宣战的次日（8月2日）即命令联合舰队搜索并击破中国北洋舰队，以求年内实施其“作战大方针”的重点——直隶平原决战。不久，得知大批清军将于平壤附近集中并相机南下，于是，日军大本营已无暇等待其海战的结果，乃命令第五师一团一的其余部分立即赴朝。8月14日，日本大本营根据其联合舰队未能与北洋舰队决战，并为检修舰只而移泊朝鲜半岛南端的长直路等情况，确认年内已无法实行直隶平原决战的原定计划，必须等到来年解冻之后再作考虑，于是重新制定冬季作战方针，即：增派第三师一团一（先编成混成第五旅一团一）与已在汉城附近集结的第五师一团一合编为第一军，以陆军大将山县有朋为司令官，执行北攻平壤，相机进攻奉天，吸引直隶清军主力出援的任务；同时准备组建第二军，以待机攻占辽东半岛，为将来实施直隶平原决战建立进军基地。
山县有朋到达朝鲜（9月12日于仁川登陆）以前，在朝日军由第五师一团一长陆军中将野津道贯统率。9月2日，野津道贯等议定，以第五师一团一及第三师一团一之一部，共约一万五千人，分四路进攻平壤。其部署是：陆军少将大岛义昌率混成第九旅一团一（步骑约五千、炮二十门）由汉城出发，沿大道指向平壤东南，从正面进攻，牵制清军。野津道贯自率步兵第二十二联队、十二联队及骑兵、工兵、炮兵各一部（步骑约五千、炮十二门）继后，渡大同江之下游，进攻平壤西南。第十旅一团一长陆军少将立见尚文率步兵第十二联队之第一大队、第二十一联队之第二大队及骑兵、炮兵各一部（步骑约二千、炮六门），自朔宁经新溪、遂安、祥原、江东，渡大同江进攻平壤东北，称“朔宁支队”。陆军大佐佐藤正率步兵第十八联队及骑兵、炮兵、工兵各一部（步骑约三千、炮十二门）自朝鲜东北部的元山登陆（称“元山支队”），经文川、一陽一德、成川（今新成川南）、顺安，绕攻平壤北部，截断清军后路。
日军根据这一分进合击的作战计划，预定9月15日包围平壤，发起总攻。
早在8月上旬，清政一府派出的四支援军先后抵达平壤。丰升阿、卫汝贵等以兵力不足、后路空虚为由，要求“先定守局，再图进缺①。李鸿章也认为“非有劲旅三万人，前后布置周密，难一操一胜算”，“目前只能坚扎平壤，扼据形胜”②。尽避清廷急于要按原定方针向南进军，多次电催李鸿章饬令各军“相机进缺，“直指汉城”，李鸿章总是借故延宕，以致前敌各军既不南下进攻汉城，又不择险据守，互为策应，“而以二十九营万四千余人聚平壤，置酒高会，日督勇丁并朝民于城内外筑垒，环炮而守”③，坐待日军来攻。8月下旬，叶志超抵达平壤。这个败军之将被任命为平壤各军总统，“一军皆惊”，进一步破坏了士气。叶志超对于军事更加漫无布置，身为前线统帅，不亲自组织侦察，及时获取准确的情报，主要依靠天津的电报通报，因而对前线敌人情况很不了解，只知道日军主要从中和大道来攻，而不知其从几个方向同时包围平壤。9月5日，叶志超与诸将议定，以一部兵力监视元山方向之敌，以主力南下迎击自黄州北进之日军。6、7两日，部队已按计划出发。此时，叶志超得到日军一部已抵成川的消息，因顾虑平壤后路发生危险，于是突然改变决心，急忙将部队调回，仓卒作出防御平壤的部署，而此时各路日军已完成了对平壤的合围。
平壤是朝鲜的旧都，山环水抱，形势险要，城墙高约十米，墙基厚约七米，南北绵亘十余里。大同江自城东至西南流过。城有六门：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。长庆、大同二门紧一靠大同江。玄武门跨牡丹台山修筑。由于牡丹台紧一靠城墙，因而成了守卫平壤的命脉所在。
清军依城划分各军防区：城北方面，由左宝贵所部奉军、丰升阿所部盛军及江自康之仁字两营防守；城西方面，由牙山军（即叶志超原来所部）防守；城南方面，由卫汝贵所部盛军及马玉昆所部毅军之一部防守；城东南大同江东岸，由马玉昆所部毅军防守，有浮桥一座沟通两岸联系。叶志超坐镇城内，居中调度。
二、作战经过
9月13日，四路日军均已一逼一近平壤，其中元山支队已进至顺安，切断了清军退往义州的后路。
14日清晨，日军元山、朔宁两支队一齐发起攻击，占领了城北山顶数垒。左宝贵亲自督队争夺，未能取胜，便率部入城，用大炮轰击敌人。日军坚伏不退。当晚，叶志超主张弃城撤退，遭到左宝贵的坚决反对。左宝贵派亲兵监视叶志超，防止其逃跑。
15日拂晓前，日军发起总攻。大同江东岸的日军混成第九旅一团一分三路进攻平壤城东南。扼守大同江东岸的马玉昆所部毅军奋力抵抗，与敌展开肉一搏战，自清晨激战至午后，终于打退了东路日军的进攻。北路战事也十分激烈。日军朔宁、元山两个支队又于当天拂晓发起进攻，左宝贵亲自登玄武门指挥，士兵拚死拒敌。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。左宝贵为了表示与城共存亡的决心，身穿黄马褂，继续指挥。11时，左宝贵中炮阵亡，士气大挫，玄武门遂被日军攻占。叶志超随即悬白旗乞降，并下令撤军。当时，马玉昆部正与东路日军相持于大同江东岸，偷袭平壤西南的日军第五师一团一主力也被卫汝贵所部击退，伤亡惨重。
正当东西两路清军准备乘胜出击的时候，忽闻北路失利，并接到叶志超的撤军命令，马玉昆、卫汝贵只得率部回城。日军准备宿营，未再前进。当晚，叶志超率守军乘夜暗仓皇逃出平壤。日军于城北山隘堵截，清军伤亡二千余人，被俘数百人。途经顺安，又遭日军拦击，死伤枕藉。
16日，叶志超等逃至安州，始与吕本元、聂士成等部会合。安州距平壤九十公里，北倚清川江，南有群山依托，城垣高大，是平壤以北的第一重镇。聂士成建议叶志超凭借安州有利地形，阻敌北犯。叶志超不同意，继续率军向义州狂逃。19日，李鸿章曾电告叶志超驻守义州，不准退往鸭绿江以西。三天以后，李鸿章又认为与其株守义州孤城，不如全线撤回，于是，清军于22—24日放弃了义州等战略要地，退过鸭绿江。
平壤之所以轻易陷落，关键在于前敌总指挥不得其人。叶志超于成欢之战打响时，立即弃军逃奔平壤；惊魂未定，又以谎报战功而被任命为平壤各军总统，由于不孚众望，“各将领均不受节制”①。他庸懦怯敌，既不敢驱军南下，也没有保卫平壤的决心，一经接战，再次率先逃跑，致使军心大乱，“凡有大小炮四十尊，快炮并一毛一瑟槍万数十杆，将弁私财，军士粮饷，军资、器一具、公文、密电，尽委之而去”②。此外，清军纪律甚差，不能与当地人民呼吸与共，也是平壤失守的重要原因之一。本来，由于中朝两国同遭日寇侵略，共同的命运把两国军民联系在一起。当清军刚到平壤时，朝鲜人民夹道欢呼，以各种物资慰劳、供给清军；朝鲜官员也盼望清军多打胜仗，“其王京（汉城）自大院君以下，时密输倭人消息于我，日盼我军进趋汉城”③。可是，清军入朝后不但无所作为，而且侵害群众利益，致使朝鲜人民大失所望，不再尽力支援，这就大大影响了保卫平壤的作战。