平壤之战，是甲午战争初期中日两国之间在朝鲜平壤地区进行的一次重要战斗。从中国方面来说，早在两个月前以经开始为这次战斗进行准备了。在清朝廷和李鸿章的严令下，卫汝贵、马玉昆、左宝贵、 丰开阿四路大军，32营编制，共计13536人，从7月21日开始启程入朝。
7月底，日军已开抵大同江口，开始派出小队的探兵前往平壤。清军得知消息后，最先入朝盛军统帅卫汝贵见情况紧急，全队开拔已赶不上，便火速派遣前哨官带领亲兵马队先 行，于7月31日抵达平壤。当日，日军破坏了电报局后匆忙撤走。盛军先头部队把大同江上小船都收至北岸，并与朝鲜兵连夜守城，鸣枪惊退偷袭的日军。
在得知日军围韩宫拘王及丰岛海战的消息后，7月28日，李鸿章致电总理衙门，明确表示了与日本决裂的姿态，同时着手进行备战。在短短的几天内，他主要抓了四件事：第一，严催朝鲜北路进兵。清军终于抢先进驻平壤，并集结了一万多人的军队，在战略上意义重大;第二，国内禁止拍发密电。这样，日谍只能用明码传递情报，易被识破;第三，建议总理衙门严查间谍。此后，沿海各省都加强了防范，并破获了几起重大日谍案件;第四，采纳丁汝昌建议，在威海口增添挡雷铁链和木桩，以防日本鱼雷偷袭。
7月29日，军机处令李鸿章转电汪凤藻：“日本击我兵船，业已绝好开衅。出使日本大臣汪凤藻应立即撤令回国。”30日，总理衙门照会各国驻华公使馆、领事馆，指出日本首先挑战。当天，朝廷下谕撤回所有驻日使馆、领事署，同时经美国政府同意，委托美国政府代为保护居住于日本侨民的合法利益。31日，总理衙门照会日本驻华临时代办小村寿太郎：“倭先开衅，致废修好之约，此后与彼无可商之事。殊为可惜!”并对其下了逐客令。
同一天，日本外务大臣陆奥宗光也向驻东京各国公使发出通告：“帝国政府为使日清之间之争议合理解决，并使彼此关系永远协调，虽曾使用各种光明正大之手段，迄今显然未奏其效。为解决此事，本大臣荣幸地通知阁下：帝国与清国现进入战争状态。”
8月1日，清政府正式下诏宣战。同一天，明治天皇睦仁也下诏对中国正式宣战。
8月3日，清朝总理衙门向各国公使馆致送保护各国商民教士的照会，称：“现与中国寻衅者只日本一国，此外有约各国悉皆交好如常。”日本政府也要求美国政府保护中国境内日本侨民的安全，4日，总理衙门复照美国公使，同意保护中国境内的日本公民免受凌辱。 随后，欧美各主要国家，除俄国外，都先后声明局外中立。
8月1日正式宣战后，中日两国都制定了相应的作战计划。清政府的作战计划可归结为两点：一、以北洋海军扼守渤海湾口，并掩护陆军进驻朝鲜;二、集结陆军于平壤，再南下进攻日本陆军。
8月5日，日本战时大本营制订出“作战大方针”，其大体要点是：
这次战争的目标，是最后在直隶(河北)平原同清军主力决战，打败清军，迫其投降。上述目标能否实现，关键在海军作战之胜负。预计到中国拥有北洋、南洋、福建、广东四支舰队，吨位、兵力都超过日本，海战胜负难以预料，因此设计了三种作战方案：甲案，海战胜利，夺得制海权，立即由渤海湾输送陆军，在直隶平原寻求与清军主力决战;乙案，海战胜负不分，则派陆军击退在朝鲜之清军，实现扶植朝鲜独立之目的;丙案，海战失败，制海权被中国夺得，则尽可能增派陆军加强在朝鲜的防御，击退清军的进攻。
8月4日至9日，清军四路大军先后开进平壤。从牙山撤回的叶志超、聂士成部，也分别在8月21日和28日抵达平壤。至此，清军已集结了北洋陆军为主的部队一万五、六千人，人数上超过了日军。谎报战功的败军之将叶志超，竟于8月25日被委任为驻平壤的清军部队的总指挥官。朝廷命诸军星夜前进，直抵汉城。但李鸿章看到陆军实力有限，进攻没有把握，便提出“先守定局，再图进取”，并要求再集兵三万，稳固后路，然后分兵南下。 朝廷同意增兵，但仍坚持进兵汉城。此时北洋陆军已调走一半，不能再抽，于是清政府下令奉(天)、晋、豫、鄂、湘诸军抽调军队入朝，但各省行动缓慢，至9月13日，除总兵吕本元率马队两营驰抵义州外，其余没有一军渡过鸭绿江。这样，平壤诸军无法出击，只能据守了。[注：义州与丹东(当时称安东)隔鸭绿江相望。]
当清军在攻守之间踌躇时，日军也按照大本营的计划，加紧向朝鲜增援，目标是把清军驱逐于朝鲜境外。8月下旬，第五师团在朝鲜集结完毕，兵力再次超过清军。9月上旬，第三师团的一半兵力进入朝鲜，与第五师团组成第一军，由陆军大将山县有朋任司令官，兵力达到19，600人。此时，日军重兵集结，而由于朝鲜老百姓对日军的抵制，日军的补给极其困难，不利于持久作战。同时考虑到抑制国内滋长的厌战情绪，以及避免给西方列国的干涉留下空间，都要求立即发动这次战役，而不能等到布署完毕的时候再进行。而且，清军也在不断增援，待其防御加强后进攻会更加困难。因此，先到汉城的第五师团长野津决定不 等第三师团开到，就以所部16，000人强攻平壤，并决定以9月15日为期发动总攻，各部队必须按时到达指定位置。
9月8日，为了便于指挥作战，日本政府把大本营由东京移到广岛。12日，日本第一军司令山县有朋大将到达朝鲜仁川，指挥平壤战役。他对麾下将士训示道：“万一战局极端困难，也绝不为敌人所生擒，宁可清白一死，以示日本男儿之气节，保全日本男儿之名 誉。”15日，天皇睦仁到达广岛，亲自指挥对华作战。
9月初，日军分四路向平壤运动，12日以后陆续到达平壤，15日完成了对平壤的包围。进攻平壤的日本陆军共计16，000多人，山炮44门。
日军进军平壤，李鸿章不敢怠慢，急电叶志超及诸将加强防守。叶志超见后援迟迟不到，恐后路被日军自海上登陆所断，遂分兵数千驻扎在安州、肃州和义州。这样，驻守平壤城内外的清军只有约9，500人，山炮、野炮和机关炮38门。至9月13日，防御部署基本就绪。
9月12日，日军进攻牙山的混成旅团，在大岛义昌率领下，进至大同江边，试图渡江。清军发炮轰击，日军前卫被迫后退。于是日军分成左右两翼，配备大炮二十门。双方首先展开了激烈的炮战，10时，日军在炮火的掩护下，向清军堡垒发起冲锋，毅军、盛军士兵顽强抵御，大同江北岸的清军炮兵也发炮支援，日军被击退。13日下午，双方又炮战许久，日军仍未能渡江。与此同时，其它三路日军也先后按计划到达指定位置，与清军防守阵地对峙。
15日凌晨，日军对平壤按计划开始了总攻，战役首先由大岛率领的混成旅团在平壤南 战场展开。大岛因成欢之战的胜利，颇有些轻敌骄傲，急于建功。他在14日许愿说“本旅团将以明日午前8时前后攻陷平壤，共握手于城中，以祝万岁”。凌晨4时许，当日军前队 进至大同江南岸、船桥里的清军桥头堡附近时，担任警卫的清兵鸣枪示警。于是，双方枪炮齐鸣，平壤之战打响了。
参加船桥里之战的日军，有两个步兵联队和一个炮兵联队，共3，600人;清军是马玉昆指挥的毅军和卫汝贵指挥的盛军各一个营，共二千人。是时，日军集中兵力进攻船桥里的三个桥头堡，大小火炮不间断地猛烈轰击清军堡垒，大同江北岸的清军也连连发炮还击。 据桥本海关的《清日战争实记》记载：“大小炮弹连发如雨，炮声隆隆震天撼地，硝烟如云涌起，遮于面前。在如此激烈的炮击下，原以为敌兵会立即溃散。然而，我军前进一步，敌军亦前进一步，彼此步步相互接近。此时，除使炮击更加猛烈外，亦别无他顾。战争愈来愈 激烈，乾坤似将为之崩裂。……日军将领早即闻马玉昆骠悍之名，今日始知果不虚传。”
不久，东方渐白。卫汝贵从大同江北岸了望，见日军所在不占地利，于是亲率盛军传字正营二百人过江作战。日军缺乏隐蔽物而强行接近桥头堡，完全暴露在清军枪口下，伤亡甚众。同时，清军不断通过船桥向江南堡垒运送弹药，而日军则弹药殆尽，士气低落。清军在船桥里的反攻战，在马玉昆和卫汝贵的指挥下，一直进行到午后。下午2时半，大岛见弹 用尽，而且部队全天未进餐，便下令停止射击，撤离战场，清军也没有追击。
这次战斗，日军将校以下战死140名，伤290名，旅团长大岛少将也受了伤，无功而返。有诗叹曰：“此役不克旗下死，呜呼苦战船桥里。”[日本诗人衫浦梅谭]
同一天，平壤西战场的战斗在上午8时许开始打响。日军第五师团主力共5，400余 人，由师团长野津道贯中将指挥，在大同江上游渡江后，到达城西的普通江。盛军、芦榆防军依据堡垒，与之枪炮对射，日军受阻。清军见状，派出骑兵出城反攻，日军占据有利地形，炮、步兵配合射击，清兵纷纷落马。清军又组织第二次骑兵出击，仍然伤亡严重，两次冲击共战死130人，战马273头。清军见出战不利，便据堡垒固守，日军亦不敢渡江，两军休战，以待明日。
平壤北战场是日军进攻平壤的主攻方向，日军在此集结了总兵力的将近一半，包括两个支队，共7，800人。按预定计划，两支队于15日拂晓分成东西两路向玄武门外的清军展开了钳形攻势。守卫在平壤城玄武门外的清军，一是左宝贵率领的奉军三个营，守卫玄武门、牡丹台及城外堡垒，计1，500人;一是江自康率领的仁字两营四哨，守卫在箕子陵 一带，计1，400人。攻守双方的兵力相差2·7倍。日军集中两个支队主力，先进攻清 军城外的内外重三垒。而守卫的奉军兵力不到其五分之一。日军素闻左宝贵挠勇，知宝贵不死，平壤不可得，于是弃江自康而专攻奉军。
清晨5时正，日军支队长下令发射进攻平壤城北的第一炮，清军堡垒寂静不应。日军进至堡垒附近低地时，清军的毛瑟十三连发枪突然齐射，飞弹如猛雨骤至。日军支队长正指挥间，忽有一弹飞来，击中前额。因射程太远，弹力已衰，幸免于丧命。日军势将不支时，山炮阵地连放榴霰弹，不断命中清军阵地，清兵死伤众多。日军趁势攻入外重堡垒之东垒，双方展开肉搏，堡垒中五十余清兵全部战死阵地。7时半，日军终于占领此垒。
日军以绝对优势的兵力，向奉军其余堡垒不断发起进攻。奉军虽顽强抵抗，但仅配备了3门野炮、1门速射炮，在日军的12门山炮轰击下，寡不敌众。上午8时，清军的城外堡垒全部丢失。日军重新部署兵力，分三路进而攻击牡丹台。牡丹台虽然配备有野炮、速射炮 和七连发步枪，火力较强，但日军的炮兵集中火力猛轰，摧毁清军速射炮及掩蔽墙，清兵多杀伤。日军步兵乘势蚁附而上，牡丹台守军终于不支。8时半，日军攻上牡丹台后，把炮兵移到台上，对玄武门和全城构成了极大威胁。
左宝贵当时正在玄武门上督战，见牡丹台失守，知势不可挽，以死当之。他换上御赐朝服，亲燃大炮，连发36颗。双方均拚死一战，“日军三突之，清兵三退之”。激战中，左宝贵两处中弹，犹裹伤指挥，后日军榴霰弹连至，炮中当胸而亡。后光绪皇帝作《御制祭 文》悼曰：“方当转战无前，大军云集;何意出师未捷，上将星沉。喑鸣之壮气不消，仓猝 而雄躯遽殉。”有诗叹曰：“本期痛饮黄龙府，不意难回落日戈。”[王蕲新：《为左忠壮 公书衣冠墓门坊》]
日军虽然攻占了牡丹台和玄武门，但仍被阻于内城之外，无力继续进攻，当天结束战斗。而在平壤西、南两处的进攻更是连连受挫。此日之战，日兵死189人，伤516人，清兵伤亡人数少于日军。日军所带的弹药、口粮都已用尽，在平壤城外冒雨露宿，处境极为艰难。
作为清军统帅的叶志超，在此关键时刻却没有看到这些有利因素，他只看到玄武门的失守和奉军统帅左宝贵的战死，因而丧失了抵抗信心。当晚，他召集各统领商议放弃平壤，撤军至鸭绿江设防。诸将中只有马玉昆提出反对，叶志超不听，于是下令部队撤离平壤。
当夜8时，清军开始撤退。叶志超传令放弃辎重，轻装持械，趁夜而退。当时，大雨倾盆，清兵冒雨蜂拥出城。日军在黑暗中听到人马奔腾，以为是清军劫寨，于是拦路截杀。清兵混乱中不分敌我，胡乱放枪开炮，误伤累累。经过整整一夜，清军全部退出平壤，在混乱中死伤人数达到二千多，远远超过了在战役中的损失。16日拂晓，日军进入平壤，发现城内已没有清军一兵一卒，而被清军丢弃的武器、弹药、粮饷和其它物资无数，尽数为日军所得。
当初清政府听信叶志超谎报牙山战功，任命他为入朝诸军统帅，实乃一大失误。叶志超作为一个败军之将，一味消极防守，几次错过了趁敌未稳，主动出击的机会，最后主动撤出平壤，导致清军雨夜之溃。清军装备最精良的北洋陆军由此锐气顿失。日本历史学者说：“苦于粮食不足、担心清兵加强防御阵地的野津师团长，感到后援的第三师团一到，补给将 更加困难，于是决定在后援部队尚未到达时，便以第五师团进行强攻，这种作战是极其冒险的。如果连续激战两天以上，那么弹药和粮食将同时失去补给，只有放弃围攻，实行退 却。”
平壤失利的消息传出，清政府震动，下令严办。叶志超被械送京师，由刑部定斩监候。连在平壤战役中立有军功的卫汝贵，也因没有反对叶志超撤兵和在朝鲜纵兵抢掠而被斩决。平壤战役后，清军全部退至鸭绿江边，日军于是完全控制了朝鲜。