9月13日，四路日军均已逼近平壤，完成包围态势。
14日清晨，日军元山、朔宁两支队分别从北、东一齐攻击平壤，占领城北山顶的堡垒，北面守军左宝贵部奋力争夺，未能取胜。被日军吓破胆的叶志超当晚主张弃城而逃，遭到左宝贵极力反对。
15日拂晓前，日军发起总攻。大同江东岸的日军混成第9旅团分三路进攻平壤城东南。清军拼命奋战，展开肉搏。战至午后，打退东路日军进攻。
北路战事也十分激烈，士兵拼死拒敌。左宝贵亲自指挥。11时，左宝贵中炮阵亡，士气大挫，北路遂被日军攻破。叶志超随即悬白旗降敌，，并下令撤军。
谁知这时城东清军与日军在大同江东岸大战，日军逐渐现出不支之势。此外，日军第5师团偷袭平壤西南，这一路日军被西路清军击退，且伤亡惨重。正当东、西两路清军准备乘胜出击之时，忽然接到了主帅叶志超的撤军命令，只得收兵回城。
当晚，叶志超率守军乘夜仓皇地逃出了平壤。
