9月初，日军分四路向平壤运动，12日以后陆续到达平壤，15日完成了对平壤的包围。进攻平壤的日本陆军共计16，000多人，山炮44门。
日军进军平壤，李鸿章不敢怠慢，急电叶志超及诸将加强防守。叶志超见后援迟迟不到，恐后路被日军自海上登陆所断，遂分兵数千驻扎在安州、肃州和义州。这样，驻守平壤城内外的清军只有约9，500人，山炮、野炮和机关炮38门。至9月13日，防御部署基本就绪。
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9月12日，日军进攻牙山的混成旅团，在大岛义昌率领下，进至大同江边，试图渡江。清军发炮轰击，日军前卫被迫后退。于是日军分成左右两翼，配备大炮二十门。双方首先展开了激烈的炮战，10时，日军在炮火的掩护下，向清军堡垒发起冲锋，毅军、盛军士兵顽强抵御，大同江北岸的清军炮兵也发炮支援，日军被击退。13日下午，双方又炮战许久，日军仍未能渡江。与此同时，其它三路日军也先后按计划到达指定位置，与清军防守阵地对峙。
15日凌晨，日军对平壤按计划开始了总攻，战役首先由大岛率领的混成旅团在平壤南 战场展开。大岛因成欢之战的胜利，颇有些轻敌骄傲，急于建功。他在14日许愿说“本旅团将以明日午前8时前后攻陷平壤，共握手于城中，以祝万岁”。凌晨4时许，当日军前队 进至大同江南岸、船桥里的清军桥头堡附近时，担任警卫的清兵鸣枪示警。于是，双方枪炮齐鸣，平壤之战打响了。
参加船桥里之战的日军，有两个步兵联队和一个炮兵联队，共3，600人;清军是马玉昆指挥的毅军和卫汝贵指挥的盛军各一个营，共二千人。是时，日军集中兵力进攻船桥里的三个桥头堡，大小火炮不间断地猛烈轰击清军堡垒，大同江北岸的清军也连连发炮还击。 据桥本海关的《清日战争实记》记载:“大小炮弹连发如雨，炮声隆隆震天撼地，硝烟如云涌起，遮于面前。在如此激烈的炮击下，原以为敌兵会立即溃散。然而，我军前进一步，敌军亦前进一步，彼此步步相互接近。此时，除使炮击更加猛烈外，亦别无他顾。战争愈来愈 激烈，乾坤似将为之崩裂。……日军将领早即闻马玉昆骠悍之名，今日始知果不虚传。”
不久，东方渐白。卫汝贵从大同江北岸了望，见日军所在不占地利，于是亲率盛军传字正营二百人过江作战。日军缺乏隐蔽物而强行接近桥头堡，完全暴露在清军枪口下，伤亡甚众。同时，清军不断通过船桥向江南堡垒运送弹药，而日军则弹药殆尽，士气低落。清军在船桥里的反攻战，在马玉昆和卫汝贵的指挥下，一直进行到午后。下午2时半，大岛见弹药用尽，而且部队全天未进餐，便下令停止射击，撤离战场，清军也没有追击。
这次战斗，日军将校以下战死140名，伤290名，旅团长大岛少将也受了伤，无功而返。有诗叹曰:“此役不克旗下死，呜呼苦战船桥里。”
同一天，平壤西战场的战斗在上午8时许开始打响。日军第五师团主力共5，400余人，由师团长野津道贯中将指挥，在大同江上游渡江后，到达城西的普通江。盛军、芦榆防军依据堡垒，与之枪炮对射，日军受阻。清军见状，派出骑兵出城反攻，日军占据有利地形，炮、步兵配合射击，清兵纷纷落马。清军又组织第二次骑兵出击，仍然伤亡严重，两次冲击共战死130人，战马273头。清军见出战不利，便据堡垒固守，日军亦不敢渡江，两军休战，以待明日。
