元山支隊集中炮火向牡丹台外西北方最外一壘猛轟，堡壘被毀，清軍被迫于6時50分退走。不久，第二壘也在日軍攻擊下棄守。7時15分，元山支隊佔領了牡丹台西北方外二壘後，又端掉了江自康所部清軍防守的箕子陵陣地，直趨牡丹台下。在元山支隊進攻牡丹台外西北二堡壘時，朔寧支隊也向東北二堡壘發起攻擊。日將立見尚文首先派兩個中隊步兵向最東北方堡壘沖擊。清軍憑壘據守，戰至7時半左右，清軍放棄堡壘。
這樣，余下的牡丹台東北另一個堡壘，處于孤立無援地位。日軍的山炮榴霰彈頻頻在壘上爆炸，但清軍仍堅陣應戰，抵抗頗強，一直戰斗到8時才撤出堡壘。至此，從外側掩護牡丹台、玄武門的清軍四處堡壘和箕子陵陣地，全部落于日軍之手。日軍元山、朔寧兩個支隊合兵一處，從東、北、西三個方向包抄牡丹台，對牡丹台守軍實行三面合擊。牡丹台是平壤城的制高點，據全城形勝，牡丹台失守，全城遭受威脅，所以日軍早已注目于此，因此集中朔寧、元山兩個支隊兵力，企圖一舉奪佔。日軍佔領外圍堡壘後，立即用排炮向牡丹台據點集中轟擊，掩護步兵進攻。清軍在左寶貴指揮下，憑險拒守，以全力持之，用速射炮向進攻之日本步兵猛烈還擊，日軍戰斗頗為困難。
為支援步兵沖鋒，小鬼子集中炮火猛轟牡丹台，牡丹台外城連連中彈，堡壘胸牆被毀，速射炮也被炸壞，清軍損失慘重。小鬼子如同螞蟻一樣蜂擁而上，我守軍雖拼死抵抗，但終因寡不敵眾而敗退，8點30分牡丹台陷落。
日軍攻佔牡丹台之後，立刻列炮于壘上，猛轟玄武門。正在玄武門督戰的左寶貴，眼見牡丹台失陷，知道大勢已去，仍堅持指揮作戰。身穿黃馬褂指揮作戰的左寶貴受到了小鬼子炮火的優先照顧，左寶貴先中兩，但是仍然堅持不退，鎮定指揮。最後一發罪惡的炮彈準確的落在了左寶貴身爆劇烈的爆炸帶走了一縷英魂，高州鎮總兵左寶貴壯烈殉國！噩耗傳來，朝野震驚！清廷降旨︰「……左寶貴著照提督陣亡例，從優賜恤。任內一切處分，悉予開復，加恩予謚，入祀昭忠祠。所有戰跡及死事情形，付國史館立傳。準于立功省分建立專祠。」並責令李鴻章查明左寶貴子嗣，準其來京候旨施恩。」這是後話暫且不提。
左寶貴殉國後，在日軍炮火的猛烈轟擊下，玄武門城樓也被擊毀，僅余四柱，兀然聳立城頭，清軍火力頓衰。日軍乘勢派一小隊士兵潛奔城下，由玄武門旁側用繩梯猱升而上，清朝守軍驚散。日軍奪佔玄武門，向城內推進，遭到城內清軍的狙擊。日軍不知虛實，其將領立見尚文見一時難以攻進內城，便派飛騎傳令，命玄武門的部隊悉撤至城北高地，以觀清軍動靜。這樣，玄武門的戰斗隨即停了下來。
在城西南戰場，進攻這一線的日軍為桂太郎率領的第三師團本隊。該部于晨7時到達平壤西南之山川洞，立即列炮于丘陵上向清軍射擊。並出動步兵向清軍堡壘沖鋒，但得手。清軍兩度派出馬隊進行反擊，也被佔據有利地形的日軍擊退。清軍騎兵隊兩次沖擊，有273頭戰馬被擊斃，士兵則戰死130余名。由于這一線清軍堡壘多而堅固，日軍山炮無力摧毀。至中午時，兩軍實際上處于休戰狀態。清軍見出戰不利，便依靠堡壘堅守，使日軍難越雷池一步。
老天都被清軍的悲壯所感動，開始下起雨來。雨水使各線日軍不得不停止了進攻。經過幾個小時的激戰，雖然北面戰場，牡丹台，玄武門相繼失守。但是日軍尚城，對于清軍來說，戰事猶有可為。因為當時清軍的彈藥，糧草足以支撐一個月有余，而日軍彈藥糧草即將告罄。加上當時天降大雨，日軍冒雨露宿，處境極為困難。如清軍決心堅守，戰局很可能發生轉機。
但是，牡丹台、玄武門的失守和左寶貴的陣亡，使清軍主帥葉志超嚇破了膽。他與眾將商議，決定棄城逃賺說︰「北門咽喉既失，彈藥不齊，轉運不通，軍心驚懼，若敵兵連夜攻擊，何以御之？不若暫棄平壤，令彼驕心，養我銳志，再圖大舉，一氣成功也。」當時只有馬玉昆一人出言反對，但是葉志超堅決不听。
1894年9月15日夜8時，清軍開始撤退。葉志超先已密傳各營，輕裝持械，趨夜而退。因事出匆忙，周知，加以大雨傾盆，清兵冒雨結隊成群，或自七星門、靜海門蜂擁而出，或由城牆攀越而去；或取甑山大道而走海岸，或由義州大道而向北奔。而日軍元山支隊埋伏于義州大道，第三師團主力部隊則埋伏于甑山大道，以截擊撤逃的清軍。自15日晚間8時至翌日拂曉，清兵絡繹不絕，急奔直沖，結果走到埋伏圈，就遭日軍炮襲擊，清兵回旋不得出，以避彈故，團集愈緊，死亡愈眾。
當時陰雲密布，大雨傾盆。清兵冒雨棄城而逃，恍似驚弓之鳥，不問路徑，結隊直沖。而日軍早已設下埋伏，各山口把守嚴密，勢如地網天羅，清兵數次橫沖，無隙可入。而且前軍遇敵擊，只好回頭向後；而後兵為了逃命，只顧奔前。進退之兵頓時擠成一團，黑夜昏暗，南北不分。形勢一片混亂，到得最後，清兵不問敵我，放持刀，混亂相殺，深可憐憫。前行士卒，既遭敵，又中己炮，自相踐踏，死傷慘重，且冤死在己方炮火之下者亦不在少數？當此之時，尋父覓子，呼兄喚弟，鬼哭神號，震動田野。人地稍熟宅覓朝鮮土人引路，均已月兌網，驚懼無措，非投水自溺，則引刃自戕，甚至覓石碣踫頭，人樹林懸頸。死尸遍地，血水成渠，慘目傷心，不堪言狀！僅僅在此一夜之間，清軍在逃跑路上被擊斃者達1500多人，並有683人被俘。清軍被日軍虜獲的軍火、彈藥、糧食及其他各種物資不計其數。而在此之前，清軍在平壤激戰一天，損失不過才幾百人而已。
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