上午八時三十分，牡丹台失守。正在玄武門上督戰的左寶貴痛心疾首，誌在必死。他穿上禦賜衣冠，登上城樓，親冒矢石，身先士卒，力戰不懈。部下勸他換掉翎頂和黃馬褂，以免引起敵人注意。左寶貴朗聲道：“吾何懼乎？”
他告訴部下，我穿朝服，就是要讓士兵們知道本帥在此，士兵們才會奮勇作戰。果然，在左寶貴的感召下，官兵們無不奮勇，竭盡血誠。激戰中，一炮手中彈身亡，左寶貴便親自上前燃放大炮，先後發射榴彈三十六顆。守備楊建勝勸其退下，左寶貴怒嗬斥之。戰鬥中，左寶貴先是身中兩彈，仍堅守炮台，指揮督戰，後來一發炮彈擊中他的胸前，左寶貴渾身是血，當場陣亡。
左寶貴的壯烈殉國，是平壤之戰中最為可歌可泣的一章。在他犧牲後，光緒皇帝親作《禦製祭文》表示了深切的哀悼。祭文中有“方當轉戰無前，大軍雲集；何意出師未捷，上將星沉？喑鳴之壯氣不消，倉猝而雄軀遽殉”之句，[407]語詞悲愴，令人動容。
玄武門失守後，平壤防禦陷入了極為不利的境地，但局勢並非不可挽回。因為日軍仍被阻於內城之外，而平壤西、南兩個戰場，並未動搖。日軍雖然占了玄武門，但損失慘重，傷亡減員達七百零五人。更為不利的是，由於長途遠襲，日軍彈盡糧絕，無法補給，加上是日大雨，部隊冒雨露宿於城外，處境同樣極為困難。
這時候，如果清軍能咬牙挺住，哪怕隻有一兩天，日軍都有可能堅持不住，不戰而退，而平壤戰局也會隨之改觀。
然而，從一開始就對固守平壤缺乏信心的葉誌超，這時已經徹底悲觀了。他不顧馬玉昆的反對，下令撤出平壤。
是夜八時，大雨瓢潑，清軍開始慌亂地撤退。日軍聞訊出擊，四處截殺。一個親曆此役的盛軍軍官事後記述道，“陰雲密布，大雨傾盆。兵勇冒雨西行，恍如驚弓之鳥，不問路徑，結隊直衝”，敵軍攔路截殺，隊伍一片混亂，自相殘殺，相互踐踏，“當此之時，尋父覓子，呼兄喚弟，鬼哭神號，震動田野”，有人“投水自溺”，有人“引頸自戕”，“死屍遍地，血水成渠，慘目傷心，不堪言狀”！[408]
據聶士成回憶說，平壤之戰開始前，他奉令回津募兵，以補充兵員。當他夜以繼日，風雨兼程，趕到中朝邊境時，李鴻章的電報來了，令他速返前敵，“著毋庸回津招募”。聶士成以為平壤大戰在即，急需將才，於是馬不停蹄，日夜兼程，掉頭往回趕。
三天之後，當他趕到安州時，卻見敗兵迎麵而來，原來平壤之戰已經失利。聶士成在亂軍中看到盛軍馬隊副將衛本先，連忙向他打聽戰況。衛本先說：“完了，完了，左軍門戰死了！”說著淚如雨下。聶士成怎麼也不明白，他才離開幾天，上萬人的大軍就土崩瓦解，而且敗得這樣慘、這樣快？此後不久，葉誌超也退到安州。聶士成攔住他說，不能再退了，並向他建議：收攏散隊，扼守安州，深溝固壘，以待援軍。可葉這時早已聞風喪膽，根本聽不進去，一路狂奔，逃回國內。其他各部也相率效仿，唯有聶士成令殘部駐紮安東六百吊要隘，與敵相持一月有餘才奉命回國。
9月16日，日本天皇剛把指揮部從東京轉到廣島，就接到了從平壤傳來的捷報，不禁驚喜有加。他根本沒想到，竟然如此輕而易舉就取得了重大勝利。
其實，日本發動平壤戰役帶有很大的冒險性質，事前並未做好充分準備。可是，為了防止西方列強的幹預，也為了消除國內日益滋長的厭戰情緒，它必須速戰速決。因此，盡管準備尚不充分，也倉促發動了這場戰役。原本對於取勝，並無絕對把握。但是，由於葉誌超的消極畏戰導致了清軍放棄平壤，使日軍僅用一天時間和很小的代價，就取得了平壤之戰的勝利，實在令人痛心！
敗報傳來，李鴻章如同當頭挨了一棒。原以為他的淮軍舊部裝備精良，可與日軍陸上爭鋒，沒想到事與願違，這些老部下竟然如此不堪一擊，讓他這張老臉丟盡了顏麵。
然而，更讓李鴻章痛心的是，就在平壤潰敗的消息傳來之時，北洋海軍也在黃海遭受重創，一蹶不振。