因為從全國各地增援的部隊行進緩慢，首批已抵達平壤的援軍合算進去和日軍兵力相差無幾，數量上未能占有優勢。
李鴻章就制定戰略方針，“先定守局，再圖進攻”，本意是想待新增援兵抵達后，再行進攻，為此清軍在平壤決定采取守勢。
這個戰略被日軍第五師團長野津道貫瞧破，他說“清軍極短于野戰，窺其所長，唯有守城一法耳”，“清軍常有據守險要之習癖”。故此，日軍決定冒險速戰速決，區區一萬多的兵力，兵分四路，迅速進攻平壤。
清軍中也有一些將領本意是主動出擊，比如左寶貴不停的建議，先發制人攻打日軍，但不斷遭到清軍總統葉志超的阻擾，就此清軍困守平壤城。
9月15日，日軍順利完成了對平壤的包圍，從三個方向對平壤進攻。日軍第九混成旅團在大島義昌少將的指揮下，首先向大同江南岸的清軍發起進攻，遭到清軍的堅決反擊，并重創了第九旅團。
日軍中、右兩隊在司令官武田秀山和西島助義中佐的拼命督戰下，攻占了左右兩翼的堡壘，但隨之遭到清軍的步炮協同夾擊，再遭重創，日軍遭到了重大傷亡，死傷四百多人，中隊長級別軍官被擊斃四名。
但是，日軍以玄武門為主攻方向，在此集中了優勢兵力。由立見尚文少將的第十旅團和佐藤正大佐的第十八連隊擔任主攻。
清軍高州鎮總兵左寶貴登上玄武門指揮，只見得喊殺聲遍地，炮聲隆隆，滿城都是煙火，遺憾的是指揮官左寶貴中炮英勇犧牲，他部下三位營官相繼接過指揮大旗，也先后壯烈陣亡。午后二時玄武門被日軍攻破，遭到清軍的激烈反抗，日軍雖然涌進城里，卻被擊退。
野津道貫親率日本第五師團本隊于凌晨七點向城西南進擊，日軍在炮火的掩護下不斷沖鋒，但是遭到清軍馬隊的反擊。雙方戰局一直膠著著，野津道貫思量著戰局一時難以突破，難以快速得手，下令暫停進攻，退回駐地。
這時，清軍總統葉志超卻突然令人掛出白旗投降，派人冒雨出城投遞停戰書。
當晚，葉志超密令各營準備連夜撤兵，軍兵輕裝持械，但是行動倉促，密令未能有效傳遞到每個兵勇。撤兵沒有得到有效組織，變成了逃跑。
而前面已提到，日軍早已派兵斷了平壤的后路，清軍就這樣倉皇撤兵遭到了日軍的瘋狂伏擊。
只見得雨夜里，泥濘的土路上，潰逃的清軍哀嚎遍野，在日軍的伏擊下，毫無戰斗力，血流成河，清軍死傷近兩千人，被日軍俘獲五百多人。
平壤之陸戰最終以清兵大敗告終。
在隨后的六天里，清軍狂奔五百里，一路逃到鴨綠江邊，并于9月21日回國。
而日軍是一路高歌猛進，勢如破竹，很快地占領了朝鮮全境。
至此，陸地戰清軍也一改以往的勝勢，轉成敗勢。
本來清軍駐朝總統葉志超在牙山順利率兵北撤，還受到了國內朝廷的贊揚，因為當時朝鮮首都漢城已被日本控制，從牙山北撤需要繞過漢城，而葉志超能夠順利完成任務實屬不易。
但是，在平壤撤兵時，未能有效組織，倉促撤退，引起了官兵的恐慌，結果撤兵演變成了逃跑，又遭到日軍的伏擊，結果大敗，實屬遺憾。