9月12日，日军第五师团大岛混成旅团3600人抵达平壤城南的大同江畔，开始对清军阵地进行炮击。du00.com见到日军来袭，驻守平壤的清军立刻紧张起来，同日军进行了数次小规模的战斗。其实，大岛混成旅团的真实任务是佯攻，给清军造成日军将要正面进攻平壤的假象，将清军的精锐部队吸引到城南。虽然是佯攻，但是大岛混成旅团假戏真做，9月15日凌晨4时，大岛义昌带领所有人员对清军正面阵地船桥里发动进攻！顷刻间，清军的两个堡垒被击毁。随后，大岛混成旅团击中炮火对平壤正面剩余的三个堡垒进行猛烈轰击，炮声隆隆，弹飞如雨。炮击刚刚停止，日军发动冲锋，堡垒内的清军开枪扫射，冲锋的日军纷纷倒地。激战至拂晓，日军付出惨重代价后夺取清军一堡垒，但是防卫船桥里的马玉昆相当剽悍，任日军弹丸乱飞，寸土不让，带领士兵向日军发动冲锋，重新将堡垒夺回。日军没想到清军士兵如此英勇顽强，顿时陷入混乱，马玉昆和卫汝贵趁机发动****。激战至下午2时，大岛混成旅团弹尽撤退。此战，大岛混成旅团死伤400余人，其中第二十一联队之第二、第十两个中队军官全部战死或负伤，可见战斗之惨烈。
9月15日8时，野津道贯率领第五师团主力5400余人抵达平壤西侧山川洞，立即在高地上架起大炮对平壤城进行轰击，随后，日军四个大队凭借炮火掩护向平壤城发动冲击。平壤清军两次派骑兵出城迎击日军，均被日军炮火及枪弹重创，遂依靠壁垒坚守，日军未能攻破清军的阵地。战斗至午后，野津道贯见突破防御无望，遂下令停战。
日军真正的攻击方向是平壤城北门——玄武门。清军在平壤城北侧只部署了2900名士兵，相比其他方向，这里的兵力最少。清军这样部署的原因有两个：一是清军错误地将三天前即在城南发动攻击的大岛混成旅团当成了日军主力，所以将主要兵力投放到了城南；二是平壤城玄武门易守难攻。玄武门外有一高地名为牡丹峰，清军在牡丹峰上构筑了一个坚固的堡垒，内有三门野炮、一挺加特林机关枪以及几百枝七连发毛瑟枪。从牡丹峰再向北，清军还构筑了四个堡垒。这四个堡垒与牡丹峰上的堡垒可以形成交叉火力，互相掩护，可以说是固若金汤。因此，清军对平壤城北的防御相当自信。然而，清军盲目自信是因为他们的思维仍停留在冷兵器时代，所构建的堡垒都没有顶盖，他们忽略了一样东西——火炮。当时的火炮技术已经相当成熟，射程、精确度及杀伤力都较旧式火炮有天壤之别，一门火炮的精确打击就能让清军的堡垒灰飞烟灭。此时防守的一方对付火炮有三种办法：一是数量更多的火炮；二是钢筋混凝土浇筑的带厚厚顶盖的堡垒；三是挖掘坑道。当时清军虽然装备了先进的火炮，但是射击技术低劣，对火炮战术的理解和运用也远远不及日军。
9月15日5时，日军朔宁支队、元山支队7800人分东、西两路对玄武门外清军的四个堡垒发动攻击。待日军抵近，四个堡垒内清军的七连发毛瑟枪骤然射击，日军士兵丢下几十具尸体迅速撤退。拂晓，日军架设在坎北山的12门山炮在1500米外居高临下对清军堡垒猛轰，其发射的榴霰弹在堡垒上空爆炸，堡垒内的清军死伤惨重，只好弃掉堡垒。然后日军朔宁支队、元山支队合兵一处，对牡丹峰堡垒发动冲锋，牡丹峰堡垒内清军枪炮齐鸣，几十名日军士兵应声而倒。日军遂集中一个炮兵大队和一个炮兵中队的大炮猛轰牡丹峰堡垒，堡垒内清军受到重创，加特林机关枪也被炸毁了。日军随即发动冲锋，占领了牡丹峰。随后，日军将大炮布置于牡丹峰上，俯射玄武门城墙上的清军。防卫玄武门的清军将领左宝贵不顾日军炮火猛烈，率领部下死战不退，被日军狙击手射杀。随后副将杨建春、都司徐玉生均中弹而亡，但是清军士兵依然固守不退，击退了日军的冲锋。僵持不下时，日军一名中尉军官和一名一等兵自告奋勇冲到城墙下，从陡峭的城墙向上攀爬。城墙上的清军士兵没想到这世界上竟然有人能够徒手攀爬如此陡峭的城墙，所以只顾射击远处的日军。当看到两个日本人突然出现在城墙上时，清军士兵都惊呆了。两个日本军人端着刺刀猛冲，趁清军士兵尚未缓过神的机会合力将城门打开，城外的日军士兵一拥而上冲入平壤外城。
进入外城之后，内城城墙上的清军士兵居高临下向日军射击，日军士兵无处藏身，此时日军的火炮也难以施展威力，处境反倒更加凶险。突然，天降大雨，日、清两军只得在雨中苦战。
日军四路大军长途奔袭二十天，激战一日，伤亡700余人，弹药、粮食即将告罄，士兵的斗志也不如初战时旺盛激昂。第三师团的大部分兵力最少需要7天才能到达平壤战场，到时日军的后勤补给将更加困难。
在平壤防卫战之前三天，叶志超已请求增兵支援平壤，现在援军正在赶赴朝鲜的路上，最迟五天内可以抵达。平壤城内的粮食尚可支撑一个多月，只要决心坚守，胜负依然难料。现在平壤的清军和日军对抗的不再是兵