平壤城北為日軍攻擊的重點。大同江正麵開始的攻擊，是為了牽製清軍，使之不能往城北撥出更多的兵力。
在城北，勇將左寶貴同日軍展開了殊死戰鬥。城外牡丹台的攻防戰達到了白熱化程度。
日軍的朔寧支隊和元山支隊一開始就以牡丹台為目標，集中兵力進行攻擊。
這一線是日軍的主攻方向，因而也是平壤保衛戰的最激烈戰場。
守壘清軍主要為悍將左寶貴所率奉軍。
9月15日午夜零時，曉色森寂，霧氣冥蒙，朔寧支隊由國主峴宿營露地出發，淩晨4時30分向玄武門外東北方牡丹台外側清軍兩個堡壘發起進攻。
日將立見尚文認為牡丹台地高壘固，是玄武門的天然屏障，是日軍進攻的最大障礙，必須拔除。要拔除牡丹台據點，首先要攻占其外側最東北方的清軍第四堡壘。
於是日軍一麵在高地上排列山炮6門，向堡壘進行猛烈轟擊；一麵派兩個中隊的兵力，在旅團副官桂太郎上尉指揮下，向第四堡壘發起猛衝。
清軍憑壘據守，以連發槍進行猛烈還擊，擊傷敵指揮官桂太郎及兩個中隊長小倉中尉和本間中尉。士兵傷亡20餘人。但日軍在炮火支援下連續發起衝鋒。
戰到7時30分左右，清軍不支，終於放棄第四堡壘。日軍占領第四堡壘後，將全部炮火集中於第三堡壘，支援向第三堡壘衝鋒的富田少佐率領的步兵。駐第三堡壘的清軍雖已處於孤立無援境地，但仍堅持應戰，頑強抵抗，一直堅持戰鬥到8時才撤出堡壘。
與此同時，元山支隊則向牡丹台外側西北方清軍兩個堡壘發起攻擊。
5時5分開始，日軍元山部隊集中炮火向牡丹台外側西北方兩個堡壘進行猛烈的炮擊，掩護步兵衝鋒。
守衛堡壘的清軍進行頑強的抵抗。6時20分左右，戰鬥益趨激烈。
整個牡丹台外側一帶天崩地塌，雙方射出的子彈、炮彈似落雁飛蝗，白日無光，山川為之改色，慘霧蒙蒙，愁雲密密，互相混戰，鮮血染地，草木皆紅。
日軍奮力衝鋒，傷亡慘重。同時，元山支隊集中炮火向牡丹台外西北方左翼第一堡壘猛轟。堡壘被毀，守壘清軍被迫於6時50分退走。
不久，第二堡壘也在日軍炮火猛烈攻擊下失守。7時15分日軍元山支隊占領了玄武門外清軍兩個堡壘。
至此，從外側掩護牡丹台的清軍四座堡壘全部落於日軍之手。日軍元山支隊和朔寧支隊合兵一處，從東、北、西三個方向包抄牡丹台製高點，開始對守衛牡丹台清軍實行三麵合擊。
位於玄武門外的牡丹台是平壤城的製高點，清軍在此築有堅固堡壘，壘壁高五丈，炮座完備，牡丹台的重要戰略地位是不言而喻的。
牡丹台失守意味著全城處於日軍炮火之下。
進攻日軍，早已注目此地，企圖一舉奪占。因此，日軍占領外圍堡壘後，隨即將炮兵陣地推進至第三堡壘，用排炮向駐守牡丹台清軍集中轟擊，掩護步兵進攻。
守牡丹台的部隊為號稱清軍精銳的左寶貴部奉軍。配備有克虜伯炮3門和格林速射炮、連發毛瑟槍，在左寶貴指揮下，清軍據險全力死守，速射炮向進攻的日軍步兵猛烈還擊。