一、 雙方作戰方針及部署
日本大本營為迅速獲得制海權，於宣戰的次日（8月2日）即命令聯合艦隊搜索並擊破中國北洋艦隊，以求年內實施其「作戰大方針」的重點——直隸平原決戰。不久，得知大批清軍將於平壤附近集中並相機南下，於是，日軍大本營已無暇等待其海戰的結果，乃命令第五師團的其餘部分立即赴朝。8月14日，日本大本營根據其聯合艦隊未能與北洋艦隊決戰，並為檢修艦隻而移泊朝鮮半島南端的長直路等情況，確認年內已無法實行直隸平原決戰的原定計劃，必須等到來年解凍之後再作考慮，於是重新制定冬季作戰方針，即：增派第三師團（先編成混成第五旅團）與已在漢城附近集結的第五師團合編為第一軍，以陸軍大將山縣有朋為司令官，執行北攻平壤，相機進攻奉天，吸引直隸清軍主力出援的任務；同時準備組建第二軍，以待機攻佔遼東半島，為將來實施直隸平原決戰建立進軍基地。
山縣有朋到達朝鮮（9月12日於仁川登陸）以前，在朝日軍由第五師團長陸軍中將野津道貫統率。9月2日，野津道貫等議定，以第五師團及第三師團之一部，共約一萬五千人，分四路進攻平壤。其部署是：陸軍少將大島義昌率混成第九旅團（步騎約五千、炮二十門）由漢城出發，沿大道指向平壤東南，從正面進攻，牽制清軍。野津道貫自率步兵第二十二聯隊、十二聯隊及騎兵、工兵、炮兵各一部（步騎約五千、炮十二門）繼後，渡大同江之下游，進攻平壤西南。第十旅團長陸軍少將立見尚文率步兵第十二聯隊之第一大隊、第二十一聯隊之第二大隊及騎兵、炮兵各一部（步騎約二千、炮六門），自朔寧經新溪、遂安、祥原、江東，渡大同江進攻平壤東北，稱「朔寧支隊」。陸軍大佐佐籐正率步兵第十八聯隊及騎兵、炮兵、工兵各一部（步騎約三千、炮十二門）自朝鮮東北部的元山登陸（稱「元山支隊」），經文川、陽德、成川（今新成川南）、順安，繞攻平壤北部，截斷清軍後路。
日軍根據這一分進合擊的作戰計劃，預定9月15日包圍平壤，發起總攻。
早在8月上旬，清政府派出的四支援軍先後抵達平壤。豐升阿、衛汝貴等以兵力不足、後路空虛為由，要求「先定守局，再圖進缺１。李鴻章也認為「非有勁旅三萬人，前後佈置周密，難操勝算」，「目前只能堅扎平壤，扼據形勝」２。盡避清廷急於要按原定方針向南進軍，多次電催李鴻章飭令各軍「相機進缺，「直指漢城」，李鴻章總是藉故延宕，以致前敵各軍既不南下進攻漢城，又不擇險據守，互為策應，「而以二十九營萬四千餘人聚平壤，置酒高會，日督勇丁並朝民於城內外築壘，環炮而守」３，坐待日軍來攻。8月下旬，葉志超抵達平壤。這個敗軍之將被任命為平壤各軍總統，「一軍皆驚」，進一步破壞了士氣。葉志超對於軍事更加漫無佈置，身為前線統帥，不親自組織偵察，及時獲取準確的情報，主要依靠天津的電報通報，因而對前線敵人情況很不瞭解，只知道日軍主要從中和大道來攻，而不知其從幾個方向同時包圍平壤。9月5日，葉志超與諸將議定，以一部兵力監視元山方向之敵，以主力南下迎擊自黃州北進之日軍。6、7兩日，部隊已按計劃出發。此時，葉志超得到日軍一部已抵成川的消息，因顧慮平壤後路發生危險，於是突然改變決心，急忙將部隊調回，倉卒作出防禦平壤的部署，而此時各路日軍已完成了對平壤的合圍。
平壤是朝鮮的舊都，山環水抱，形勢險要，城牆高約十米，牆基厚約七米，南北綿亙十餘里。大同江自城東至西南流過。城有六門：南為朱雀門，西南為靜海門，西北為七星門，北為玄武門，東為長慶門，東南為大同門。長慶、大同二門緊靠大同江。玄武門跨牡丹台山修築。由於牡丹台緊靠城牆，因而成了守衛平壤的命脈所在。
清軍依城劃分各軍防區：城北方面，由左寶貴所部奉軍、豐升阿所部盛軍及江自康之仁字兩營防守；城西方面，由牙山軍（即葉志超原來所部）防守；城南方面，由衛汝貴所部盛軍及馬玉昆所部毅軍之一部防守；城東南大同江東岸，由馬玉昆所部毅軍防守，有浮橋一座溝通兩岸聯繫。葉志超坐鎮城內，居中調度。
二、作戰經過
9月13日，四路日軍均已逼近平壤，其中元山支隊已進至順安，切斷了清軍退往義州的後路。
14日清晨，日軍元山、朔寧兩支隊一齊發起攻擊，佔領了城北山頂數壘。左寶貴親自督隊爭奪，未能取勝，便率部入城，用大炮轟擊敵人。日軍堅伏不退。當晚，葉志超主張棄城撤退，遭到左寶貴的堅決反對。左寶貴派親兵監視葉志超，防止其逃跑。
15日拂曉前，日軍發起總攻。大同江東岸的日軍混成第九旅團分三路進攻平壤城東南。扼守大同江東岸的馬玉昆所部毅軍奮力抵抗，與敵展開肉搏戰，自清晨激戰至午後，終於打退了東路日軍的進攻。北路戰事也十分激烈。日軍朔寧、元山兩個支隊又於當天拂曉發起進攻，左寶貴親自登玄武門指揮，士兵拚死拒敵。戰至上午，日軍先後攻破玄武門外的五座堡壘，並向玄武門猛烈突擊。左寶貴為了表示與城共存亡的決心，身穿黃馬褂，繼續指揮。11時，左寶貴中炮陣亡，士氣大挫，玄武門遂被日軍攻佔。葉志超隨即懸白旗乞降，並下令撤軍。當時，馬玉昆部正與東路日軍相持於大同江東岸，偷襲平壤西南的日軍第五師團主力也被衛汝貴所部擊退，傷亡慘重。
正當東西兩路清軍準備乘勝出擊的時候，忽聞北路失利，並接到葉志超的撤軍命令，馬玉昆、衛汝貴只得率部回城。日軍準備宿營，未再前進。當晚，葉志超率守軍乘夜暗倉皇逃出平壤。日軍於城北山隘堵截，清軍傷亡二千餘人，被俘數百人。途經順安，又遭日軍攔擊，死傷枕藉。
16日，葉志超等逃至安州，始與呂本元、聶士成等部會合。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鎮。聶士成建議葉志超憑借安州有利地形，阻敵北犯。葉志超不同意，繼續率軍向義州狂逃。19日，李鴻章曾電告葉志超駐守義州，不准退往鴨綠江以西。三天以後，李鴻章又認為與其株守義州孤城，不如全線撤回，於是，清軍於22—24日放棄了義州等戰略要地，退過鴨綠江。
平壤之所以輕易陷落，關鍵在於前敵總指揮不得其人。葉志超於成歡之戰打響時，立即棄軍逃奔平壤；驚魂未定，又以謊報戰功而被任命為平壤各軍總統，由於不孚眾望，「各將領均不受節制」１。他庸懦怯敵，既不敢驅軍南下，也沒有保衛平壤的決心，一經接戰，再次率先逃跑，致使軍心大亂，「凡有大小炮四十尊，快炮並毛瑟槍萬數十桿，將弁私財，軍士糧餉，軍資、器具、公文、密電，盡委之而去」２。此外，清軍紀律甚差，不能與當地人民呼吸與共，也是平壤失守的重要原因之一。本來，由於中朝兩國同遭日寇侵略，共同的命運把兩國軍民聯繫在一起。當清軍剛到平壤時，朝鮮人民夾道歡呼，以各種物資慰勞、供給清軍；朝鮮官員也盼望清軍多打勝仗，「其王京（漢城）自大院君以下，時密輸倭人消息於我，日盼我軍進趨漢城」３。可是，清軍入朝後不但無所作為，而且侵害群眾利益，致使朝鮮人民大失所望，不再盡力支援，這就大大影響了保衛平壤的作戰。