日军偷袭之后，很快也被在陆上的成欢驿的日军偷袭，由于朝鲜政府已被日本控制，叶志超、聂士成等部驻牙山的清军被迫绕道汉城，北撤到朝鲜北部重镇、平安道首府——平壤。毅军以分统马玉昆率五营一队（约2100人），与淮军盛字军以及奉天的奉字练军、盛字练军一起，构成了四大军29营，于8月先期入朝，在平壤与从牙山退回的叶志超、聂士成部汇合，朝廷命叶志超为驻平壤各军总统。
平壤之战发生于9月7日—9月15日，是双方陆军首次大规模作战。当时驻守平壤的清军共35营，17000人；进攻平壤的日军有16000多人，双方兵力旗鼓相当。平壤城的地势也非常险要，易守难攻。而且清军还得到朝鲜人民的支持。当时虽然朝鲜政府被强行拉到日本阵营，但朝鲜的平安道观察使闵炳奭积极协助清军作战，甚至连日本推上台的傀儡大院君李昰应都暗中给清军传递情报。
9月7日，日军分四路围攻平壤，兵力分散，由于李鸿章‘先定守局，再图进取’的作战方针以及清将叶志超的胆小昏聩，左宝贵等人攻打日军的行动不断遭到叶志超的阻挠，日军遂于9月14日顺利完成了对平壤的包围。9月15日，战斗在3个战场同时展开：其一为大同江南岸战场。晨3时，日军第九混成旅团在大岛义昌少将的指挥下，首先向大同江南岸清军发起进攻。其二为玄武门外战场。其三为城西南战场。清军分兵抗拒，重创日军第9旅团。日军中、右两队司令官武田秀山中佐和西岛助义中佐拼命督战，攻陷了左右两翼的堡垒，但随即遭到清军的步炮协同夹击，再遭重创。这一仗，日军遭受了重大伤亡，将校以下死者约140名，伤者约290名。中队长级大尉军官被击毙4名，少尉军官被击毙2名。第9混成旅团长大岛义昌少将、第21联队长西岛助义中佐、炮兵第5联队第3大队长永田龟少佐均被击伤。
玄武门为日军的主攻方向，因此集中了优势兵力，由立见尚文少将的第10旅团（又称朔宁支队）和佐藤正大佐的第18联队（又称元山支队）担任主攻。高州镇总兵左宝贵登玄武门指挥，激战中，左宝贵中炮牺牲，其部下3位营官也先后阵亡，午后2时玄武门遂被日军攻陷。日军向城内推进，遭到清军的奋力抵抗，只得退守玄武门。
在城西南战场，野津道贯亲率日本第5师团本队，于晨7时从平壤西南用炮火掩护步兵冲锋，清军马队进行反击。至中午，野津道贯见难以得手，下令暂停攻击，退回驻地。此时，军总统（总指挥）叶志超贪生怕死，在战局胶
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