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日軍仍以平壤城北為重點。從大同江正面也開始了攻擊，這是為了牽制清軍，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。

佐藤大佐的元山支隊從義州街道指向平壤，很快就同清軍交火，展開了炮戰。朔寧支隊用炮聲做掩護，逼近牡丹台背後。立見少將信心十足。

朔寧支隊距牡丹台只有三百米了。天尚未明，清軍陣地上對朔寧支隊的悄悄接近早就覺察了，以清兵的技術要命中遠距離目標是困難的，所以，盡量等日軍再靠近些。當日軍到達三百米處時，牡丹台的清軍陣地上便一齊開始了射擊。

槍聲之後，大炮也轟鳴起來。朔寧支隊散開的地點正好是墓地，到處隆起的小土包，當作掩蔽物是最適合不過的了。不過，小土包對於躲避槍彈有一定作用，但炮彈卻能把整個土包掀走，所以，日軍在這一帶遭受了相當大的損失。

正當朔寧支隊苦戰之際，突然，迂回到右翼的元山支隊發出了呐喊聲。

日軍總攻的前一天，李鴻章根據葉志超的報告，向北京總理衙門發電報，說日軍“零星四散，剿不勝剿”。

日軍行動靈活，想消滅卻抓不到影子。對此，李鴻章在同一電文中加以說明：“日軍不似清軍那樣把鍋、碗之類重物帶在身上，而是按西洋樣式，把‘幹糧’裝在挎包裏。”

不久，日軍向牡丹台和玄武門同時發起攻擊。

只進攻牡丹台，從玄武門的清軍陣地就會打過來支援炮火。按常規，應當首先奪取城外牡丹台，然後再攻玄武門。日軍打破常規，對兩處同時發起了攻擊，這樣一來，清軍在城內、城外都忙於自我防禦，沒有空暇去掩護別人。

在這次戰役中，日軍的榴彈炮發揮了威力。清炮台上，安裝著當時性能最佳的速射炮，使日軍大吃苦頭。朔寧支隊的榴霰彈終於擊碎了速射炮，使它沉默了。

結果，牡丹台方面還是首先被攻破了。玄武門的清軍得知牡丹台已被日軍奪下，鬥志頓時喪失殆盡。因為清軍最了解牡丹台陣地的威力，對它抱著莫大希望。

“今天豁出去了！”左寶貴決心已定。

他正在城頭上指揮作戰，忽然聽到牡丹台被攻陷的消息，不知想起了什麽，急忙跑回自己的住處。

他並不是想逃跑。

他穿上了皇上恩賜的黃馬褂，重新登上城墻，繼續指揮戰鬥。這下子他在城頭上成了靶子，中彈撲地，但並沒有當場身亡。

左寶貴對跑過來抱起他的部下說：“不要給我丟臉！”

部下將左寶貴擡下城頭準備搶救時，他已經犧牲了。

左寶貴剛死，日軍便攻破玄武門。

據說，日軍中有個叫原田的一等兵一個人攀登城墻而上，進入城內，從裏面打開了玄武門。但中國方面的記載是：“倭（日本）卒十余人，用繩梯攀緣而上，越過城墻，乘清軍不意，斬殺守門兵卒，推開門扉。”

總之，日軍終於闖入平壤城內。

日、中兩軍隔著大同江的戰鬥，難決勝敗。馬玉昆善於防守，日軍無法靠近。實際上，野津中將麾下的日軍主力已經把子彈打光了。除了白刃戰以外，已經不能再攻擊。野津認為，只有暫且解除包圍圈，以圖再起，別無他策。

正在這時，平壤城上飄起了白旗。

下令掛起白旗的不是別人，正是那個主張不戰而退的葉志超。他要求日軍讓出一條路，讓清軍撤離平壤，但日本軍使斷然拒絕了。

日本軍使談判後離去時，走得很慢，慢得奇特。他的步伐似乎在告訴葉志超：“你若想逃就趁早！”至少，葉志超是這麽領會的。

當晚，葉志超、馬玉昆、衛汝貴諸將集合部隊向北逃遁。日軍當然知道清軍的企圖，在途中伏擊。山道狹窄，清軍傷亡慘重。

平壤戰役中清軍陣亡兩千人，幾乎都是在逃跑時被打死的，而日軍只死亡了一百八十余人。

清軍遺棄的武器有炮四十門、步槍一萬余支。臨逃走時，幾乎都扔掉了武器。

高級將領丟下的私產有金幣十二箱（其中金塊六十七塊、金錠六十一個），沙金十四箱，大小包裹三十來個。

清政府發給的軍餉和大量銀塊，約十萬兩，葉志超也來不及運走了。而且，一些重要的機密電稿、文書等竟未做任何處理，棄之不顧。

日軍勝利是由於清軍當事者無能，這是後世對平壤戰役的評價。日軍方面，尤其從補給方面來說，真是打了一場如履薄冰的戰鬥。葉志超掛出的白旗，確實把打光了子彈的日軍救了。