因为从全国各地增援的部队行进缓慢，首批已抵达平壤的援军合算进去和日军兵力相差无几，数量上未能占有优势。
李鸿章就制定战略方针，“先定守局，再图进攻”，本意是想待新增援兵抵达后，再行进攻，为此清军在平壤决定采取守势。
这个战略被日军第五师团长野津道贯瞧破，他说“清军极短于野战，窥其所长，唯有守城一法耳”，“清军常有据守险要之习癖”。故此，日军决定冒险速战速决，区区一万多的兵力，兵分四路，迅速进攻平壤。
清军中也有一些将领本意是主动出击，比如左宝贵不停的建议，先发制人攻打日军，但不断遭到清军总统叶志超的阻扰，就此清军困守平壤城。
9月15日，日军顺利完成了对平壤的包围，从三个方向对平壤进攻。日军第九混成旅团在大岛义昌少将的指挥下，首先向大同江南岸的清军发起进攻，遭到清军的坚决反击，并重创了第九旅团。
日军中、右两队在司令官武田秀山和西岛助义中佐的拼命督战下，攻占了左右两翼的堡垒，但随之遭到清军的步炮协同夹击，再遭重创，日军遭到了重大伤亡，死伤四百多人，中队长级别军官被击毙四名。
但是，日军以玄武门为主攻方向，在此集中了优势兵力。由立见尚文少将的第十旅团和佐藤正大佐的第十八连队担任主攻。
清军高州镇总兵左宝贵登上玄武门指挥，只见得喊杀声遍地，炮声隆隆，满城都是烟火，遗憾的是指挥官左宝贵中炮英勇牺牲，他部下三位营官相继接过指挥大旗，也先后壮烈阵亡。午后二时玄武门被日军攻破，遭到清军的激烈反抗，日军虽然涌进城里，却被击退。
野津道贯亲率日本第五师团本队于凌晨七点向城西南进击，日军在炮火的掩护下不断冲锋，但是遭到清军马队的反击。双方战局一直胶着着，野津道贯思量着战局一时难以突破，难以快速得手，下令暂停进攻，退回驻地。
这时，清军总统叶志超却突然令人挂出白旗投降，派人冒雨出城投递停战书。
当晚，叶志超密令各营准备连夜撤兵，军兵轻装持械，但是行动仓促，密令未能有效传递到每个兵勇。撤兵没有得到有效组织，变成了逃跑。
而前面已提到，日军早已派兵断了平壤的后路，清军就这样仓皇撤兵遭到了日军的疯狂伏击。
只见得雨夜里，泥泞的土路上，溃逃的清军哀嚎遍野，在日军的伏击下，毫无战斗力，血流成河，清军死伤近两千人，被日军俘获五百多人。
平壤之陆战最终以清兵大败告终。
在随后的六天里，清军狂奔五百里，一路逃到鸭绿江边，并于9月21日回国。
而日军是一路高歌猛进，势如破竹，很快地占领了朝鲜全境。
至此，陆地战清军也一改以往的胜势，转成败势。
本来清军驻朝总统叶志超在牙山顺利率兵北撤，还受到了国内朝廷的赞扬，因为当时朝鲜首都汉城已被日本控制，从牙山北撤需要绕过汉城，而叶志超能够顺利完成任务实属不易。
但是，在平壤撤兵时，未能有效组织，仓促撤退，引起了官兵的恐慌，结果撤兵演变成了逃跑，又遭到日军的伏击，结果大败，实属遗憾。