從9月15日淩晨1開始，戰至中午，平壤攻防線的基本形勢是：
大同江南岸船橋裏戰場，馬玉昆所部毅軍擊退日軍進攻，並獲大捷；
城西南大同江北戰場，衛汝貴所部盛軍阻止了日軍的進犯，勝負未分；但有城北麵牡丹台、玄武門戰場清軍堡壘盡失，玄武門失守。
平壤全部暴露於日軍的炮火之下。戰局雖然危急，但也未至不可收拾的地步。
但此時，平壤城上卻飄起了白旗。
下令掛起白旗的不是別人，正是那個主張不戰而退的葉誌超。
牡丹台、玄武門的失守和左寶貴的犧牲使葉誌超駭懼萬分。
他不與眾將商議，決定棄城逃走，下令在大同江岸及西南門一線堅持戰鬥的馬玉昆、衛汝貴迅速撤軍。並於午後4時在七星門上懸出白旗，派一朝鮮人，致書日軍要求停戰。同時在靜海門、大同門等地亦樹起白旗。
這時，天氣驟變，電閃雷鳴，大雨傾盆。
敵將立見尚文接書後，估計清軍要求停戰，是緩兵之計，可能利用雷雨的機會，趁黑夜棄城逃走。
於是命令朔寧、元山兩支隊，“須嚴加警戒，如敵軍逃走必須截擊”，並將元山支隊第十八聯隊埋伏在通往義州大道上，截擊清軍向義州撤退，全軍在雨中露營以待。同時，派人向師團長野津道貫報告，要師團本隊派兵在通甑山大道上進行埋伏截擊。
當夜9時許，清軍果然冒傾盆大雨，紛紛由七星門、靜海門湧出，有的則攀越城牆而出，由義州大道向北倉皇撤退。
清軍不知日軍早有埋伏，爭先奪路奔逃，潰不成軍。
行至埋伏圈內，日軍立即開槍狙擊。槍炮排轟，清軍大亂，自相踐踏，受傷未死的官兵縱橫偃臥，求死不得，哀號之聲，慘不可聞。自15日晚9時至16日淩晨，清軍在日軍埋伏截擊下，死傷累累。僅城西箕子陵下二三百米之間，清軍“人馬屍體堆積如山，道路為之埋沒，溪流為之染紅”。屍體堆積最密體之處，在50米以內，伏屍120具，斃馬30頭。其慘不可言狀。
據參加平壤戰役被俘的欒述善所著《楚囚逸史》一書，記載清軍潰逃中遭受日軍截擊的慘狀說：
“陰雲密布，大雨傾盆，兵勇冒雨西行，洮如驚弓之鳥，不問路徑，結隊直衝。……前軍既遭敵人截擊，隻得回向後，而後兵欲逃身命，直顧前奔，進退往來，頗形擁擠。黑夜昏暗，南北不分，前麵來兵，是敵人、是已軍，不遑暇問，持刀開炮，混亂相殺。查憐前行士卒既遭敵槍，又中已炮，自相踐踏，冤屈誰知？值此之際，父尋子覓，兄呼弟喚，鬼泣神嚎，田野震盈。人地稍熟者，覓朝鮮土人引路，均已脫網。有驚懼失措，投水自溺者，有引刃自戕者，甚至覓石碣碰頭，入樹林懸頸。死屍遍地，血水成渠慘目傷心，不堪言狀。”
在甑山大道，清軍被第五師團本隊伏擊，死傷也達數百名。總計清軍在潰退時被日軍埋伏截擊和人馬騰藉，自相踐踏而死者近2000人，被俘500餘人。至於軍火、彈藥、糧食及其他各種物資損失不計其數。據日軍統計在平壤擄獲的戰利品的：17厘米克虜伯野炮、山炮及各種口徑的大小炮35門，步騎連發槍550支，單發後膛槍400餘挺，車輛156輛，馬匹250頭，大米、小麥等各種糧食4600餘石。以及大批炮彈、子藥、信管、金銀、貨幣和其他軍用物資無算。
清軍潰退後，9月16日晨，日軍擺出一副征服者架勢，分別由玄武門、靜海門入城，占領了平壤。
葉誌超由平壤潰退被截擊後，率殘部倉皇北逃。時安州尚有馬步8營，可整飭戰守，但葉誌超經過順安、肅州、安州、義州等地，均棄而不守，狂奔500裏，一口氣渡過鴨綠江方才停下來，狼狽退入中國境內。
事後，又向李鴻章謊報軍情，誇大敵人兵力，掩飾敗績，虛報戰功。李鴻章包庇親信，欺哄朝廷，吹噓“倭兵三、四萬分撲平壤，我軍奮勇迎敵，力戰五晝夜，彈盡糧絕”。並嫁禍於人，把葉誌超率軍逃跑的責任推在別人身上。硬說“奉營營官守備揚建勝首先開城脫逃，……統帶仁字營記名提督江自康，駐守城外北山，先自撤隊，……統帶盛字左軍四川重慶鎮總兵孫顯寅，出險不停，直奔沙河”等。結果，這些人分別受到不同處分，做了替罪羊。
葉誌超謊報軍情，虛報戰功，居然得了“力疾督戰”的美名，並“加恩免其議處”。葉誌超一手造成的平壤大潰敗，就這樣馬馬虎虎的結束了。直到後來，有人彈劾葉誌超，清政府派宋慶查明事實，後被革職查辦，交刑部治罪。