日軍進攻平壤的準備活動，早在成歡戰役前就已開始。
7月23日，混成旅團長大島義昌就向平壤一帶派出騎探，進行偵察活動。成歡戰役後，大島義昌立即派出兩個步兵大隊的先遣隊，於8月8日、12日先後由漢城北上。及第五師團、第三師團各部分別由釜山、元山、仁川登陸後，立即分道向平壤進犯。進犯日軍共分四路，采取分進合擊、四麵包圍的戰術：
由大島義昌少將率領混成第九旅團，3600餘人，於9月1日由漢城出發，循漢城至平壤大道。經開城、金川、瑞興、鳳山、黃州、中和而達平壤；
第五師團本隊由師團長野津道貫中將率領，共5400餘人，於9月1日自漢城出發，經高陽、臨津、金川、瑞興、鳳山、黃州，由此折而西行，自十二浦渡大同江至平壤；
由步兵第十旅團長立見尚文少將率領的第十旅團，2400餘人，稱朔寧支隊。亦由漢城出發，沿朔寧、新汐、遂安、祥原，經江東縣由麥田店渡大同江，繞攻平壤北麵；
由元山登陸之第三師團混成旅團第十八聯隊，在聯隊長佐藤正大佐指揮下，其兵力4100餘人，稱元山支隊。於9月1日由元山出發西行，經文川、陽德、成川，渡大同江進逼平壤西北之順安。
日軍進攻平壤的四支部隊總共約16100餘人，日軍的戰略意圖是：
混成第九旅團於9月12日到達大同江南岸，進行誘戰以牽製清軍。吸引清軍注意力，以便第五師團本隊及朔寧、元山支隊從左、右翼及背後進行包圍攻擊；
元山支隊於14日到達順安，切斷清軍向義州的退路。15日與朔寧支隊會合，從北麵加入對平壤的攻擊；
朔寧支隊於13日由麥田店渡大同江，14日至大地境洞，由平壤東北方向發動進攻；
第五師團本隊自黃州西十二浦，由下遊渡大同江，出江西縣，進攻平壤西南麵。
各隊於9月15日前完成對平壤的包圍，15日淩晨發起總攻，以便一舉攻破平壤，將清軍驅逐出朝鮮。
9月15日午夜，日軍開始了總攻。
日軍混成第九旅團分左、中、右三路，向大同江左岸清軍陣地發起進攻。
淩晨3時許，進攻的日軍右翼及中路兩隊，接近清軍江左岸橋頭堡壘。守壘清軍立即奮起還擊，子彈雨點般射向日軍。
大同江右岸的清軍大炮也隔江發炮向日軍側麵轟擊，硝煙蔽天，炮聲震地。清軍頻頻發射的連發銃子彈掠過樹枝頭，恰如疾風掃落葉一般。
日軍進攻部隊暴露在壘外開闊地麵，毫無掩蔽，傷亡頗重。第十一聯隊中隊長林久實大尉、第二十一聯隊附細井有順中尉、第十一聯隊附今井健中尉等當場被擊斃。
日軍中、右兩隊司令官武田秀山中佐和西島助義中佐驅趕士兵，拚死衝擊。西島下令“寧死勿退”。日軍被迫分別向大道兩側的左翼和右翼堡壘發起衝鋒。
在日軍優勢兵力進攻下，兩翼堡壘被攻陷。這時守衛在大同江渡口橋頭堡及江北各堡壘的清軍，互相配合，用猛烈炮火向占據大道左右兩翼堡壘的日軍進行夾擊。日軍死傷甚眾，第十一聯隊第一中隊將校悉數戰死或負傷，第二十一聯隊第一大隊第二、第四中隊，官兵全部戰死。
清軍見狀，立即從橋頭堡中衝殺而出，向日軍發起反衝鋒。日軍陣腳大亂，司令官西島中佐揮刀督戰，不準士兵後退。
兩軍展開白刃格鬥。在雙方步兵進行鏖戰的同時，兩軍炮兵也展開激烈的炮戰。對射不久，日本炮兵中隊山本大尉以下24名官兵中彈負傷，器材被毀。
戰至拂曉7時，清軍派出了增援部隊，補充了彈藥，士氣大振。
上午10時，日軍中路第十中隊企圖攻占中碑街西方江岸堡壘，受到清軍步炮十字火力的射擊。同時，清軍發起反攻，將日軍擊退。
日軍發動第二次衝鋒亦未奏效。中隊長負傷，小隊長以下非傷即死，被迫後退。這時，清軍炮火愈戰愈強，而日軍自午夜零時出發，滴水未進，士兵饑疲不堪，各隊彈藥亦將用盡。尤其“中央隊戰線彈藥全部射盡，且將校多數傷亡”，已無力再戰。
至午後1時，大島義昌隻得下令退卻。
各路日軍接到命令後，於午後2時許狼狽退離戰場。
這一仗，日軍遭受了重大傷亡。
據日方公布的數字是：將校以下死者約140名，傷者約290名。其中中隊長級大尉軍官被擊斃4名，中尉軍官被擊斃2名。第九混成旅團長大島義昌少將、第二十一聯隊長西島助義中佐、炮兵第五聯隊第三大隊長永田龜少佐均被擊傷。
清軍取得了重大勝利。日人杉浦梅潭曾寫詩來描繪這次戰鬥的艱苦和日軍的慘重傷亡：“霜慘烈，風蕭索，吾軍銜枚乘暗斫。平壤壁，大同江，古來天險稱無雙。土器店頭砦柵固，炮雷進襲彈雨注。……蹀血登，蹈屍進，白日黯，山河腥，此役不克旗下死，嗚呼苦戰船橋裏。”