海上炮聲隆隆，陸上也很快槍聲四起。就在日本聯合艦隊主動挑起豐島海戰的同一天，陸軍少將大島義昌指揮日本混成第九旅團開始向駐守牙山的清軍發起進攻。之前葉志超、聶士成因牙山無險可守，已經移師牙山東部的成歡和公州。聶士成部2000餘人赴成歡後立即分左右兩翼構築防禦工事，葉志超則率1000餘人退守公州作為後援。本來就不多的人馬還分兵兩處，導致防守力量更加薄弱。
1894年7月29日，成歡之戰打響。激戰一日，清軍左右翼陣地皆失，被壓縮在成歡驛街道附近四面受敵。大清悍將聶士成不得已率眾退至公州與葉志超合兵一處，成歡失守。
葉、聶盤算後認為日軍勢大，雙方實力懸殊，於是決定不戰而撤。為避免撤退途中與日軍遭遇，葉、聶率軍進行了長距離迂迴。在沿著朝鮮半島東海岸進行了20天的酷暑行軍之後，葉志超率眾奔入平壤城，與左寶貴、衛汝貴等駐守平壤的清軍主力會合。這次長途奔逃中，葉志超已經顯示出一個「跑跑」所應具備的良好潛質。
成歡之戰雖然只是一次規模不大的戰役，但影響極大。漢城附近已無大清軍隊的蹤影，日軍之後便可以毫無後顧之憂，傾力北上，進攻平壤附近的大清主力。
海上遭受重大損失，陸軍初戰又告失利。7月30日，清廷駐日本使館及領事館官員全部下旗回國。當天，日本外務大臣陸奧宗光向各國駐東京公使發出通報：「大日本帝國與清國已處於戰爭狀態。」
8月1日，清廷正式下詔對日宣戰。明治天皇隨即也發布敕令宣戰。西方列強除了俄國之外紛紛表示中立，終於可以坐觀兩個東方大國的對掐了。
對這場東方戰爭未來的走向和勝負結局，西方世界在最初普遍看衰日本。有專家分析認為大清在海上戰場可能不是日軍的對手，在陸地上可能會先小敗，但最終將憑藉巨大的資源優勢壓倒日本，反敗為勝。後來的事實表明這些專家全都看走了眼。
葉志超率牙山敗軍到達平壤與諸將會合後，駐平壤的大清兵力達到了15000人。本來在牙山打了敗仗，但葉志超謊報戰功，飾敗為勝，吹噓牙山「大捷」，謊稱殲滅日軍1700餘人，隨後再誇大至2000餘人，騙得朝廷嘉獎賞銀2萬兩。
當此大戰即將爆發之際，駐朝鮮平壤的大清陸軍竟然長時間沒有任命主帥。朝廷初選的名將劉銘傳託病不出，次選的「白髮將軍」宋慶因為不是李鴻章的嫡系而遭李大人棄用。實在沒人了，牙山之戰的敗將葉志超竟然鬼使神差地坐上了平壤陸軍總指揮的寶座。
要說這個葉志超年輕時也曾是一員悍將，當年鎮壓捻軍的時候，的確是一把好手，立下不少戰功。但此時多年不打仗的老葉早養得腦滿腸肥，人送外號「葉大獃子」。關鍵是經歷了牙山之敗的葉志超早已成驚弓之鳥，毫無鬥志。諸軍會合後，清軍既不南下進攻，也不擇險分屯，而以大部兵力聚守平壤城內外。老葉每天就是和諸將飲酒作樂，坐待日軍來攻。
9月1日，日軍將第三師團、第五師團合編成第一軍，任命陸軍大將山縣有朋為軍司令官，統一指揮朝鮮境內的攻勢作戰。山縣有朋眼見清軍不斷通過水陸兩路增援平壤，於是決定不等第三師團來到，以第五師團為主力率先發動平壤戰役。
對平壤的進攻，日軍採取了「分進合擊、四面包圍」的戰術。進攻兵力共分四路：由大島義昌少將率混成第九旅團3600人自漢城出發到達大同江南岸，以牽制、吸引清軍；第五師團本隊5400人由師團長野津道貫中將率領，自漢城發兵進攻平壤西南面；由陸軍少將立見尚文率領第十旅團2400人亦由漢城出發渡大同江繞攻平壤東北；元山支隊4700人渡大同江進至平壤西北切斷清軍向義州的退路，並與第十旅團一起擔當平壤北面的攻擊。
從總體戰役形勢來看，清軍可以說並不據劣勢，甚至可以說是旗鼓相當。
第一，清軍駐守平壤的總兵力計步、馬、炮約15000人，擁有野炮4門、山炮28門、速射炮6門。日軍參戰部隊16000餘人。按照進攻部隊一般要2倍到3倍於防守部隊的原則，清軍防禦部隊明顯居於優勢。
第二，平壤地勢險要，易守難攻。
第三，清軍儲存有足夠全軍一個月食用的軍糧，彈藥、武器都很充足。日軍幾路部隊只有幾天的給養，往來的告急電報中甚至出現「除粗米飯外，副食毫無，僅以一匙之鹽，供數日之食」的字樣。
第四，清軍以逸待勞，日軍勞師遠征，長途奔襲1000公里，已成強弩之末。
第五，朝鮮官民也大力支持清軍。清軍入駐平壤後，朝鮮居民「簞食壺漿，饋遺不絕」，積極協助清軍作戰，連在漢城被日本扶持的大院君傀儡政府也暗中向清軍傳遞情報。清軍可謂佔有人和之利。與清軍相反的是，日軍所到之處，朝鮮居民紛紛躲避，被強征的勞役也尋機逃跑，甚至不斷襲擊行軍中的日軍。
面對日軍的四面來襲，葉志超嚴令各軍堅匿平壤，龜縮不出。日軍則利用清軍收縮的有利時機，從容完成了對平壤城的包圍。9月14日，平壤戰役率先在城北打響。清軍初戰不利，退入城內。
仗還沒真正打起來，葉志超已經是驚慌失措。當天晚上，葉志超也不喝酒了，開始組織召開軍事會議。會議一開始，老葉就提議棄城逃跑。當時有贊成的，也有反對的。總兵左寶貴堅決反對逃跑，懇請葉志超「同心合力，共濟時艱」。為了防止葉志超逃跑，會後左寶貴甚至派出親兵暗中對之進行監視。
9月15日，為了便於就近指揮，明治天皇宣布將戰時大本營從東京前移至廣島。
也就在這一天的清晨，日第一軍按計畫發動總攻。戰役在三個方向同時展開，那就是大同江南岸戰場、玄武門戰場和城西南戰場。
凌晨3時，日軍第九混成旅團首先向大同江南岸清軍發起進攻。清軍分兵抗拒重創日軍。日軍中、右兩隊司令官武田秀山中佐和西島助義中佐拚命督戰，攻陷了清軍左右兩翼的堡壘。但隨即遭到清軍的步炮協同夾擊，斃命官兵140餘人，傷290人，旅團長大島義昌少將也被擊傷。
玄武門為主攻方向，因此日軍集中了優勢兵力，由立見尚文少將的第十旅團和佐藤正大佐的元山支隊擔任主攻。8時30分，牡丹台陷落。正在玄武門指揮作戰的左寶貴見牡丹台失守，「知勢已瓦解，志必死」。為表示誓與平壤共存亡的決心，左寶貴換上了御賜黃馬褂，親燃大炮連發36彈。混戰中，左寶貴身中兩槍仍不退卻，最後不幸中炮犧牲。14時，玄武門終被日軍攻陷。日軍乘勢向城內推進，遭到清軍的奮力抵抗後，只得退守玄武門。
在城西南戰場，野津道貫親率日本第五師團本隊，於早上7時從平壤西南用炮火掩護實施步兵衝鋒，清軍馬隊迅疾進行反擊。戰至中午，野津道貫見難以得手下令暫停攻擊，退回原駐地。
14時，平壤三個戰場的基本形勢是：大同江南岸戰場馬玉昆所部毅軍擊退了日軍的進攻，略佔上風，西南戰場勝負未分，只有城北玄武門失守，但日軍尚未入城，戰場處於僵持狀態。對清軍來說，戰事猶有可為。當時平壤開始下起大雨，日軍冒雨露宿，處境極為困難。
但玄武門失守以及左寶貴陣亡使得清軍主帥葉志超魂飛魄散，他立即與眾將商議決定棄城逃走。眾人之中，除了馬玉昆提出異議之外，其餘皆贊成葉志超之議。16時，葉志超打出白旗表示停止抵抗。日軍料定清軍夜晚必北逃，便在清軍可能經過的路線上預先設下伏兵。
9月15日，20時，清軍開始撤退。俗話說，兵敗如山倒，撤退的清軍很快變成潰軍，隨後就一窩蜂地進入日軍預先設定的伏擊圈，遭日軍槍炮襲擊死屍遍地，血流成渠。僅僅一夜之間，清軍逃跑路上被擊斃者達1500多人，另有683人被俘。清軍被日軍俘獲的軍火、彈藥、糧食及其他各種物資不計其數。平壤日軍本來只剩下兩天的補給，葉志超的逃跑使得日軍獲得了足足一個月的糧草彈藥。
9月16日晨，日軍元山支隊和第十旅團躍馬而入平壤城，山呼「天皇萬歲」。城中不僅已無清兵一兵一卒，當地朝鮮居民也紛紛逃散。
逃離平壤之後，葉志超的「跑跑」能力得到了盡情的發揮，馬不停蹄，一路狂奔五百里，過順安、肅州、安州、義州等地均棄而不守。安州有清兵馬步軍八營可以接應，聶士成勸阻葉志超「安州地備險奧，可固守」，驚魂未定的葉志超根本聽不進去，腳步不停，直奔鴨綠江。21日，葉志超率殘部「渡鴨綠江，入邊始止焉」。到9月24日，駐朝清軍全部退入中國境內。日軍一路高歌猛進，完全控制了朝鮮半島。
恬不知恥的葉志超竟然還向朝廷謊報「敵軍有三四萬之眾，苦戰五晝夜，彈盡糧絕退出平壤」。清政府一度聽信了葉志超的虛假戰報，甚至降旨慰勉。之後真實情形被揭露，清廷震怒，11月21日下令將「葉志超先行革職以肅軍紀