元山支队集中炮火向牡丹台外西北方最外一垒猛轰，堡垒被毁，清军被迫于6时50分退走。不久，第二垒也在日军攻击下弃守。7时15分，元山支队占领了牡丹台西北方外二垒后，又端掉了江自康所部清军防守的箕子陵阵地，直趋牡丹台下。在元山支队进攻牡丹台外西北二堡垒时，朔宁支队也向东北二堡垒发起攻击。日将立见尚文首先派两个中队步兵向最东北方堡垒冲击。清军凭垒据守，战至7时半左右，清军放弃堡垒。
这样，余下的牡丹台东北另一个堡垒，处于孤立无援地位。日军的山炮榴霰弹频频在垒上爆炸，但清军仍坚阵应战，抵抗颇强，一直战斗到8时才撤出堡垒。至此，从外侧掩护牡丹台、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，据全城形胜，牡丹台失守，全城遭受威胁，所以日军早已注目于此，因此集中朔宁、元山两个支队兵力，企图一举夺占。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，以全力持之，用速射炮向进攻之日本步兵猛烈还击，日军战斗颇为困难。
为支援步兵冲锋，小鬼子集中炮火猛轰牡丹台，牡丹台外城连连中弹，堡垒胸墙被毁，速射炮也被炸坏，清军损失惨重。小鬼子如同蚂蚁一样蜂拥而上，我守军虽拼死抵抗，但终因寡不敌众而败退，8点30分牡丹台陷落。
日军攻占牡丹台之后，立刻列炮于垒上，猛轰玄武门。正在玄武门督战的左宝贵，眼见牡丹台失陷，知道大势已去，仍坚持指挥作战。身穿黄马褂指挥作战的左宝贵受到了小鬼子炮火的优先照顾，左宝贵先中两枪，但是仍然坚持不退，镇定指挥。最后一发罪恶的炮弹准确的落在了左宝贵身边，剧烈的爆炸带走了一缕英魂，高州镇总兵左宝贵壮烈殉国！噩耗传来，朝野震惊！清廷降旨：“……左宝贵著照提督阵亡例，从优赐恤。任内一切处分，悉予开复，加恩予谥，入祀昭忠祠。所有战迹及死事情形，付国史馆立传。准于立功省分建立专祠。”并责令李鸿章查明左宝贵子嗣，准其来京候旨施恩。”这是后话暂且不提。
左宝贵殉国后，在日军炮火的猛烈轰击下，玄武门城楼也被击毁，仅余四柱，兀然耸立城头，清军火力顿衰。日军乘势派一小队士兵潜奔城下，由玄武门旁侧用绳梯猱升而上，清朝守军惊散。日军夺占玄武门，向城内推进，遭到城内清军的狙击。日军不知虚实，其将领立见尚文见一时难以攻进内城，便派飞骑传令，命进入玄武门的部队悉撤至城北高地，以观清军动静。这样，玄武门的战斗随即停了下来。
在城西南战场，进攻这一线的日军为桂太郎率领的第三师团本队。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。清军两度派出马队进行反击，也被占据有利地形的日军击退。清军骑兵队两次冲击，有273头战马被击毙，士兵则战死130余名。由于这一线清军堡垒多而坚固，日军山炮无力摧毁。至中午时，两军实际上处于休战状态。清军见出战不利，便依靠堡垒坚守，使日军难越雷池一步。
老天都被清军的悲壮所感动，开始下起雨来。雨水使各线日军不得不停止了进攻。经过几个小时的激战，虽然北面战场，牡丹台，玄武门相继失守。但是日军尚未入城，对于清军来说，战事犹有可为。因为当时清军的弹药，粮草足以支撑一个月有余，而日军弹药粮草即将告罄。加上当时天降大雨，日军冒雨露宿，处境极为困难。如清军决心坚守，战局很可能发生转机。
但是，牡丹台、玄武门的失守和左宝贵的阵亡，使清军主帅叶志超吓破了胆。他与众将商议，决定弃城逃走，说：“北门咽喉既失，弹药不齐，转运不通，军心惊惧，若敌兵连夜攻击，何以御之？不若暂弃平壤，令彼骄心，养我锐志，再图大举，一气成功也。”当时只有马玉昆一人出言反对，但是叶志超坚决不听。
1894年9月15日夜8时，清军开始撤退。叶志超先已密传各营，轻装持械，趋夜而退。因事出匆忙，未能周知，加以大雨倾盆，清兵冒雨结队成群，或自七星门、静海门蜂拥而出，或由城墙攀越而去；或取甑山大道而走海岸，或由义州大道而向北奔。而日军元山支队埋伏于义州大道，第三师团主力部队则埋伏于甑山大道，以截击撤逃的清军。自15日晚间8时至翌日拂晓，清兵络绎不绝，急奔直冲，结果走到埋伏圈，就遭日军枪炮袭击，清兵回旋不得出，以避弹故，团集愈紧，死亡愈众。
当时阴云密布，大雨倾盆。清兵冒雨弃城而逃，恍似惊弓之鸟，不问路径，结队直冲。而日军早已设下埋伏，各山口把守严密，势如地网天罗，清兵数次横冲，无隙可入。而且前军遇敌击，只好回头向后；而后兵为了逃命，只顾奔前。进退之兵顿时挤成一团，黑夜昏暗，南北不分。形势一片混乱，到得最后，清兵不问敌我，放枪持刀，混乱相杀，深可怜悯。前行士卒，既遭敌枪，又中己炮，自相践踏，死伤惨重，且冤死在己方炮火之下者亦不在少数？当此之时，寻父觅子，呼兄唤弟，鬼哭神号，震动田野。人地稍熟者，觅朝鲜土人引路，均已脱网，惊惧无措，非投水自溺，则引刃自戕，甚至觅石碣碰头，人树林悬颈。死尸遍地，血水成渠，惨目伤心，不堪言状！仅仅在此一夜之间，清军在逃跑路上被击毙者达1500多人，并有683人被俘。清军被日军虏获的军火、弹药、粮食及其他各种物资不计其数。而在此之前，清军在平壤激战一天，损失不过才几百人而已。