1894年9月15日平壤之战正式打响，日军合计兵力16100人主要从方面发起了对平壤的进攻。

平壤西南

进攻平壤西南的日均主力第五师团，日军首先在平壤西南高地架炮轰击清军阵地，清军也以炮火还击，同时，又以第二十二联队第三大队第十中队从堡垒旁的玉米地进攻，偷袭清军堡垒。清军猝不及防，派起兵驱逐偷袭的日均。

然而，高地上的日军炮兵集中火力轰击清军骑兵，驻守平壤西南的清军骑兵在这一轮炮火之中大部分阵亡。防守的清军是从牙山溃退下的，士气低落，加上大部分骑兵被炮火轰没了，后来又得知奉军左宝贵在玄武门阵亡的消息，最后只能放弃西南堡垒向平壤城内溃退。

平壤北部高地与玄武门

在日军指挥官野津贯道的作战计划中，将朝鲜北部作为主攻方向，因此平壤北部的战斗最为激烈。从9月15日下午1点开始，日军向清军在平壤北部高地的两处防御核心爱美山和坎北山发起进攻。

爱美山的清军虽然阻挡住了日军的进攻，但坎北山的清军由于日军援军赶到而不敌，被迫放弃坎北山。坎北山的失守，使得日军可以在山上直接架炮轰击爱美山清军堡垒。在大炮的支援下，日军迅速推进，清军不敌，最终占领了爱美山。

占领城北高地后，日军集中兵力攻打平壤北门玄武门。左宝贵亲临城墙指挥，虽然打退了日军队玄武门的第一次冲锋，但左宝贵不幸中弹阵亡，使得清军士气遭受到严重打击，日军趁机发起第二次冲锋，从玄武门城墙攀爬而上，清军被迫撤入城内，玄武门遂告失守。

大同江沿岸

进攻大同江沿岸的日军主要目的是吸引清军主力的注意，因此发生在这里的战斗是各路日军中最早开始的。从15日凌晨4点30分就发起了对清军大同江堡垒的进攻。驻守大同江沿岸的清军装备先进的毛瑟步枪和加特林机枪，给予日军相对大的杀伤。

但是此处日军只是起到牵制的作用，目的并非占领，战斗一直持续到下午1时，等到平壤北部、西南、玄武门相继失守后，日军牵制任务成功完成，便开始撤退了。

日军第一日的进攻十分顺利，付出极小的代价取得了很大的战果，于是野津贯道下令16日不惜一切代价占领平壤。

事实上，日军都不用付出什么代价，就能占领平壤。因为此时叶志超认为日军虽然没有占领平壤，但由于日军增援部队和给养源源不断，而平壤清军由于北路粮运被日军截断，困守孤城只能坐以待毙，于是下决心放弃平壤向北突围。

16日凌晨清军撤出平壤，当撤退到平壤北部顺安一带时，被日军发现，日军居高临下向清军败兵集中开火，因为黑夜下着大雨，清军内部敌我难辨而自相残杀，死伤惨重。

清军撤退后，日军于16日占领平壤，平壤之战以日军完胜而宣告结束。平壤之战，清军击毙日军190人（失踪10人），击伤506人，而清军伤亡3800多人，被俘近700人，而更为严重的是，清军在这次战役中丢失了诸如克虏伯山炮、野炮等所有重型火炮以及大量新式枪支弹药，使得防御力量本来不足的东三省清军在兵力和武器使用上更加捉襟见肘。平壤之战的失败也是清军鸭绿江防线迅速被日军突破的重要原因之一。

清军平壤之战失败的原因主要有这么几个：

一是武器繁杂，虽然装备了先进的毛瑟步枪、哈奇开斯步枪、柯尔特步枪等后膛装填无烟火药步枪，但因为枪支类型不一，使得弹药口径不匹配，从而带来了弹药供应的难题。清军为何在15日激战之后就彻底放弃平壤，很大的原因就在于激战过后弹药用尽无法补给了。

二是清军内部不和，参加平壤之战的清军来源很多，有盛军、毅军、奉军、牙山清军和盛京、吉林练军，有汉兵也有满兵，不同部队之间存在不信任的情况。同时，清军将领也存在消极懈怠、玩忽职守、甚至克扣军饷的现象出现，导致了士兵与将领的不和。

三是困守孤城，原定的增援朝鲜，保证平壤后路的各路援军没有在战役爆发之前抵达，使得日军得以切断清军粮食补给线，让平壤守军失去了退路只能困守孤城。清军组织能力之差可见一斑。