葉志超居城中，排程全域性；
左寶貴部奉軍、豐升阿部盛軍、江自康部“仁”字兩營，防守城北玄武門一帶；
葉志超部蘆榆防軍防守城西七星門一帶；
衛汝貴部盛軍防守城南迤西南隅朱雀門至七星門一帶；
馬玉昆部毅軍防守城東大同江岸一帶；
另以左寶貴部之聶桂林，率隊策應城東與城南兩面。
雖然四面設防，其重點則放於東南。
但狡猾的日本人並不盲目強攻平壤。他們在偵知了中國軍隊的防務狀況後，於八月十四日（9月13日）分四路向平壤逼近，其中的元山支隊從上游偷渡大同江，進佔平壤北面四十里之順安，切斷中國軍隊退往義州的歸路後，復以順安為依託，南窺平壤。其朔寧支隊亦從大同江上游橫渡，與元山支隊聯絡後，於八月十五日（9月14日）合兵攻平壤城北玄武門、牡丹臺山一帶陣地。另兩路，一為日軍混成第九旅團，攻平壤東南大同江防地；一為日軍第五師團，攻平壤西南陣地。
日軍的四路總攻，開始於八月十六日（9月15日）拂曉之前。因為前一天的北門之戰，日軍已佔城北山頂數壘，取得了居高臨下、炮轟平壤城的優勢，所以嚇得“總統”葉志超坐立不安，隨即召集諸將，提出當天（八月十五日）便應棄城突圍。聞其言，左寶貴大怒，斥其誤軍誤國，並派親兵監視之，防其棄師先遁。所以到了十六日清晨大戰打響時，左寶貴這位回族將軍依回禮，早已沐浴淨身，服黃馬褂，著二品頂戴，披掛整齊，親臨玄武門指揮退敵。部下勸他，這副裝束易於被敵人發現，遭受襲擊，而左寶貴則答道：“吾服朝服，欲士兵知我先，庶競為之死也。敵人注目，吾何懼乎！”
士兵見左寶貴朝服臨陣，士氣大振，奮力迎擊，日軍死傷塗地。自清晨戰至上午九時，日軍破外圍東壘。此後，日軍在重炮掩護下強攻，左軍援絕不支，相繼失外圍中壘、外圍西壘、內圍西一壘，日軍遂全力圍攻牡丹臺。上午十一時，左寶貴先是身中兩彈，不下火線，大呼殺敵，後中炮犧牲，日軍佔牡丹臺，進逼玄武門。
就在這時，平壤城頭飄起了白旗。
這是葉志超的命令。
白旗是停戰旗，白旗是投降旗。
同一時刻，馬玉昆部激戰半日，已經在大同江東岸擊退了日軍混成第九旅團的三路進攻。肉搏近戰，日軍死傷滿地。
同一時刻，衛汝貴部激戰半日，已經在平壤西南方向擊退了日軍第五師團的進攻，日軍寸步難進，傷亡嚴重。
就在馬、衛二部將要組織反擊時，葉志超下令撤兵。二將率軍回城後，才知葉“總統”已樹白旗乞降。馬玉昆不解，衛汝貴卻表示了支援。
事後有人評說：如果馬、衛二部向北反擊牡丹臺，亦大有可能奪回城北高地。
四面守城，一面不利，即喪失鬥志，俯首乞降，這在當時解釋不通，百年之後，吾輩亦理解不了。
依據國際公約，日軍見城上豎起白旗，也便停止了進攻。下午，有日本軍官入城，協議停戰、降順事宜。葉志超又來了精神。他向日軍談判代表提出：放開包圍，令我率兵回撤。
日本人當然不答應。他們的條件是：放下武器，束手投降。
談判無果而散。
葉志超的如意算盤是：白天不走，天黑可行。日本人的常識判斷是：逃與不逃，只在今夕。
果然，天一黑，葉志超便下達了棄城令。清軍五路人馬擁出平壤西門，跌跌撞撞，急急慌慌，向北逃遁。有兩股兵力，給清軍造成次等殺傷。一是朝鮮兵，他們痛恨清軍駐防期間的姦淫擄掠，飛揚跋扈，故乘其退兵，背後開火。二是日本兵，他們伏於隘口要道，排炮轟擊，清軍大隊人馬無可迴旋，死傷