9月13日，四路日军均已逼近平壤，元山支队进至顺安，切断了清军退往义州的后路。
14日晨，元山、朔宁两支队一齐发起攻击，攻占城北山顶清军营垒数座。左宝贵亲自督队争夺，张瑞荫令原来叶志超部去支援总算是打退了日军的进攻，但山顶的堡垒也差不多都被摧毁了，失去了防御能力。
9月15日晨，日军按计划发动总攻。战役在三个战场展开：
其一为大同江南岸（船桥里）战场；
其二为玄武门外战场；其三为城西南战场。
9月15日凌晨3时，大岛义昌指挥的日军第九混成旅团分左、中、右三路向大同江南岸守垒清军发起进攻。
张信派王士珍支援给马玉昆，并配置了更多火炮，当日军进攻时候守垒清军立即进行自卫还击，大同江北岸清军大炮也隔江遥击，炮火极为猛烈。日军进攻部队暴露在垒前开阔地面，毫无掩蔽，伤亡惨重。日军督队官下令“宁死勿退”，驱赶士兵，拼死冲击。
士兵被迫冒死向大道两侧左、右翼堡垒发起冲锋。
守卫在大同江渡口桥头堡及江北各垒清军被安排了交叉火力，互相配合，猛烈夹击日军，日军死伤甚多。清军见状，从垒内冲出，发起反击。
日军立现踌蹰之色，逡巡后退。
日军司令官挥刀督战，不准士兵后退，两军展开白刃格斗。
在双方步兵进行鏖战的同时，两军炮兵也展开激烈的炮战。对射不久，日军“炮兵中队山本大尉以下二十四名被杀伤”。
而日军自凌晨零时由宿营地出发，战斗已逾半日，早餐未进，饮水全无，士兵饥疲不堪，弹药亦将用尽。尤其“中央队战线弹药全部用尽，且将校多数伤亡”，已无力再战。
至午后1时，大岛义昌只得下令退却。
午后2时，日军全部狼狈退离战场。
这次进攻，日军混成第九旅团“将校以下死者约一百九十名，伤者约超过四百名”。
玄武门、牡丹台一线是日军的主攻方向，参加进攻的日军为朔宁、元山两个支队，兵力最多，是清军防守部队的3倍。
9月15日凌晨4时许，朔宁支队向玄武门外东北方牡丹台外侧清军的两处堡垒发起进攻；元山支队于同时向牡丹台外侧西北方清军两处堡垒发起攻击。守垒清军进行顽强抵抗。
很快护牡丹台、玄武门的清军四处堡垒和箕子陵阵地，全部落于日军之手。日军元山、朔宁两个支队合兵一处，从东、北、西三个方向包抄牡丹台，对牡丹台守军实行三面合击。牡丹台是平壤城的制高点，
日军占领外围堡垒后，立即用排炮向牡丹台据点集中轰击，掩护步兵进攻。清军在左宝贵指挥下，凭险拒守，用速射炮向进攻之日本步兵猛烈还击。
晨8时30分牡丹台终于陷落。正在玄武门指挥作战的清军将领左宝贵见牡丹台失守，为表示誓与平壤共存亡的决心，身穿黄马褂，继续指挥战斗，他先中两枪，仍在指挥，最后中炮阵亡。
日军占领牡丹台堡垒后，立即列炮于垒上，向玄武门轰击。不久，玄武门城楼被击毁，仅余四柱，兀
在城西南战场，进攻这一线的日军为野津道贯率领的第五师团本队。
该部于晨7时到达平壤西南之山川洞，立即列炮于丘陵上向清军射击。并出动步兵向清军堡垒冲锋，但未能得手。
到午后2时，平壤的三个战场的基本形势是：大同江南岸战场，马玉昆所部毅军击溃了日军进攻，获得胜利；
西南战场，胜负未分；
只有城北玄武门战-->>