平壤城北高南低，左宝贵率军在内城北角山头牡丹台上修堡垒一座，城外北山上自东向西修堡垒四座。这天凌晨四时半，元山支队和朔宁支队同时发起进攻，列炮猛轰城外四个堡垒。清军凭垒固守，以连发枪向日军猛烈还击，坚持三个多小时后，四个堡垒全被占领。
接下来就是牡丹台了。牡丹台是位于玄武门外的一个山头，是平壤城的制高点，此台如果落入敌手，全城都会受到威胁。因此日军占领外侧四个堡垒后，立即集中炮火轰击牡丹台，掩护三路步兵进攻。
据守牡丹台的是左宝贵所率奉军，配有克虏伯炮三门和格林速射炮、连发毛瑟枪，给进攻的日军以猛烈的打击。但经不住日军集中炮火的轰击，堡垒胸墙被毁，速射炮被击坏，士兵伤亡严重。日军乘机发起进攻，在坚持半个多小时后，牡丹台失守。
此时左宝贵正在玄武门指挥战斗。平时行军打仗，他都穿士卒号衣，行进在前。这次他知道凶多吉少，便身穿黄马褂登城督战。仆从左全劝他摘去头上翎顶，脱去黄马褂，以免引起敌人的注意。他说道：“今天一战非比寻常，我已经决意把平壤当成自己的坟墓，哪还怕被炮击中。我就是要让奉军将士们看到我就在战场上，誓与倭奴决战到底。”又郑重对老仆人说，“我所托之事，一定帮我办好。”
左宝贵亲自登上玄武门炮台，指挥向日军开炮还击，日军三次进攻都被打退。那代表着无上权威的明黄色太过明艳，日军炮火集中向玄武门轰击。一位姓杨的营官要扶左宝贵躲一躲，被左宝贵一掌推开。清军大炮被击毁，一块铁片崩伤左宝贵肋下。他裹伤继续督战，又一弹片飞到，正中胸脯，他扑倒台上，登时阵亡。
左宝贵阵亡，清军大炮又被日军炮火炸毁，斗志锐减。日军趁机派一小队士兵潜奔城下，由玄武门侧攀绳梯进入玄武门，守军惊散，日军占领玄武门。但在向内城推进时，遭到内城清军的猛烈射击。日军不知城内虚实，未敢贸然进攻，退守牡丹台、玄武门。
时近下午一时，日军全线停止进攻。
借停火的间隙，清军埋锅造饭，叶志超则召集众将议事：“今天上午一战，左将军不幸阵亡，牡丹台失守，平壤城便在日军炮火轰击之下。下一步守城更加艰难，而且各军消耗太大，如果再像今天这样的大战，子药恐怕难以支持。”
卫汝贵附和道：“盛军的确如此。据军械委员粗略统计，今日一战已经消耗子药七十五万发，库存所余只有五十万发，无法支持今天这样的激烈战斗。盛军各类火炮二十门，今天消耗炮弹两千八百余发，库存只有六百发，更是无法支持。军粮也是难以支撑。盛军匆忙开赴平壤，所带粮食很少。犬子在天津专门负责盛军粮运，已经筹集了三千石军粮，从天津运到义州，费了半个月的时间，如今堆积在义州，根本无法运到平壤。虽然平壤百姓帮忙筹到一批军粮，可是平壤有两万余百姓，这些粮食恐怕也支撑不了多少日子。”
马玉昆今天一战大胜日军，因此有不同看法：“我军粮饷军械不济，日军远道而来，恐怕也好不了哪里去，我们有坚城可守，不如再与日军周旋下去。”
叶志超转头再问平安道监司闵丙奭，他回应道：“诸位将军都知道，平壤城北高南低。如今北山、牡丹台、玄武门尽陷敌手，日军火炮俯击城内，卑职的衙门中炮最多，炸毁衙署数间，中炮而死伤的百姓已近百人。如果不能夺回城北阵地，要守平壤，实在太难。”
随即，叶志超又问道：“哪位将军有把握夺回城北阵地？”
众将都无人应声。
“我建议暂时撤出平壤，到安州驻扎。这是不得已而为之，同时也是骄敌之计，安州离义州近，待粮饷辎重一到，我们再与日军大战一场，反而更有胜算。”叶志超说出了自己的想法。
撤退的办法，是明修栈道，暗度陈仓。今天下午向日军投递照会，约定明天上午撤出平壤城。而实际的撤离时间，则是今晚八点。
众将无人再反对。
但如此重大的决定，叶志超不愿独任其责，他起草一份电报，请众将联名发给李鸿章，说明不能久守的原因。众将也无异议，于是叶志超派出专差，潜出平壤城，到安州去给李鸿章发报。
城外的日军也相当紧张，野津师团长召集各路指挥官商议下一步的战事。各路指挥官都表示，没想到清军抵抗会如此激烈，更未想到弹药消耗会如此之大。以目前的军粮和弹药，最多只能支持到明天下午。
“平壤一战是陆军与中国军队的首次大战，事关陆军的荣誉。海军已经在丰岛取得令人赞叹的战绩，联合舰队也已经驰入黄海，寻找机会与北洋舰队决战。陆军是帝国的骄傲，如何能够输给海军？因此，平壤一战只有决战到底，战至一兵一卒，也不准撤退，更不准投降。我已经把平壤当作自己的墓地，不能取胜，我就战死在平壤城下。”野津师团长立下了军令状。
众人见此，都表示要战死在平壤城下。
下一步的策略，就是要发起自杀式攻击，以帝国军人无畏的精神，压倒对面的敌军。
当天下午，日军几乎人人都在写遗书。
下午四时，城中忽在西海门、七星门、大同门等城楼上悬起白旗。这时，大雨骤至，雷声隆隆，咫尺难辨。平壤内城城门打开一道缝隙，一个朝鲜官员手持一封信来到牡丹台下。因为雨太大，信已经被泡得无法辨认。朝鲜官员告诉这里的指挥官立见尚文少将，清军决定投降，他是奉平安道监司闵丙奭之命，前来递书。
立见尚文少将于是驱马到平壤内城城下，让副官朝城头高喊：“如果你们投降，我军可以接受，应速速打开城门，交出武器。”
由于言语不通，日军的喊话没有得到什么回应，于是双方通过笔谈，用汉字来交流。最后清军提出要求：“城内人众非常杂乱，且雷雨大至，希望延迟到明日拂晓开城。”
立见尚文答应这一要求，他满怀惊喜策马去报告野津师团长。
野津却没有立见尚文的惊喜，他凝视地图良久，怀疑道：“上午清军还如此激烈的战斗，下午却忽然请降，实在不可理解。这一定是中国人的诡计，有两种可能，一是夜里突然向我阵地反攻，尤其是你的防区，是平壤城的制高点，他们可能拼命夺回。二是可能于夜里悄悄逃走。不管怎样，都要做好戒备，尤其是平壤城北、城西，要在险要路段设好伏兵，防备清军突围。”
夜里九点，清军冒雨出逃，行至埋伏圈内时，日军枪炮齐鸣，清军死伤惨重。平壤一战，日军伤亡仅698人，而清军2000余人，而大部分不是在战斗中伤亡，而是在逃跑中被杀！
被日军俘虏的盛军军官栾述善在被送至日本拘押期间，撰写了名为《楚囚逸史》的回忆文章，记录了惨不忍睹的中伏情形：
阴云密布，大雨倾盆。兵勇冒雨西行，恍如惊弓之鸟，不问路径，结队直冲。而敌兵忽闻人马奔腾，疑为劫寨，各施枪炮拦路截杀。把守严密，势如天罗地网，数次横冲，无隙可入。且前军遇敌，只得回头向后，而后兵欲逃身命，直顾前奔。进退往来，颇形拥挤。黑夜昏暗，南北不分。如是彼来兵不问前面是为敌人抑是己军，放炮持刀，混乱砍杀，深可怜悯！士卒既遭敌枪，又中己炮，自相践踏，冤屈谁知？当此之时，寻父觅子，呼弟唤兄，鬼哭神嚎，震动田野。人地稍熟者，觅朝鲜土人引路，均已脱网。惊惧无措者，非投水自溺，即引刃自戕，甚至觅石碣碰头，入树林悬颈。死尸遍地，血水成渠，惨目伤心，不堪言状。
