日军进攻平壤的准备活动，早在成欢战役前就已开始。
7月23日，混成旅团长大岛义昌就向平壤一带派出骑探，进行侦察活动。成欢战役后，大岛义昌立即派出两个步兵大队的先遣队，于8月8日、12日先后由汉城北上。及第五师团、第三师团各部分别由釜山、元山、仁川登陆后，立即分道向平壤进犯。进犯日军共分四路，采取分进合击、四面包围的战术：
由大岛义昌少将率领混成第九旅团，3600余人，于9月1日由汉城出发，循汉城至平壤大道。经开城、金川、瑞兴、凤山、黄州、中和而达平壤；
第五师团本队由师团长野津道贯中将率领，共5400余人，于9月1日自汉城出发，经高阳、临津、金川、瑞兴、凤山、黄州，由此折而西行，自十二浦渡大同江至平壤；
由步兵第十旅团长立见尚文少将率领的第十旅团，2400余人，称朔宁支队。亦由汉城出发，沿朔宁、新汐、遂安、祥原，经江东县由麦田店渡大同江，绕攻平壤北面；
由元山登陆之第三师团混成旅团第十八联队，在联队长佐藤正大佐指挥下，其兵力4100余人，称元山支队。于9月1日由元山出发西行，经文川、阳德、成川，渡大同江进逼平壤西北之顺安。
日军进攻平壤的四支部队总共约16100余人，日军的战略意图是：
混成第九旅团于9月12日到达大同江南岸，进行诱战以牵制清军。吸引清军注意力，以便第五师团本队及朔宁、元山支队从左、右翼及背后进行包围攻击；
元山支队于14日到达顺安，切断清军向义州的退路。15日与朔宁支队会合，从北面加入对平壤的攻击；
朔宁支队于13日由麦田店渡大同江，14日至大地境洞，由平壤东北方向发动进攻；
第五师团本队自黄州西十二浦，由下游渡大同江，出江西县，进攻平壤西南面。
各队于9月15日前完成对平壤的包围，15日凌晨发起总攻，以便一举攻破平壤，将清军驱逐出朝鲜。
9月15日午夜，日军开始了总攻。
日军混成第九旅团分左、中、右三路，向大同江左岸清军阵地发起进攻。
凌晨3时许，进攻的日军右翼及中路两队，接近清军江左岸桥头堡垒。守垒清军立即奋起还击，子弹雨点般射向日军。
大同江右岸的清军大炮也隔江发炮向日军侧面轰击，硝烟蔽天，炮声震地。清军频频发射的连发铳子弹掠过树枝头，恰如疾风扫落叶一般。
日军进攻部队暴露在垒外开阔地面，毫无掩蔽，伤亡颇重。第十一联队中队长林久实大尉、第二十一联队附细井有顺中尉、第十一联队附今井健中尉等当场被击毙。
日军中、右两队司令官武田秀山中佐和西岛助义中佐驱赶士兵，拼死冲击。西岛下令“宁死勿退”。日军被迫分别向大道两侧的左翼和右翼堡垒发起冲锋。
在日军优势兵力进攻下，两翼堡垒被攻陷。这时守卫在大同江渡口桥头堡及江北各堡垒的清军，互相配合，用猛烈炮火向占据大道左右两翼堡垒的日军进行夹击。日军死伤甚众，第十一联队第一中队将校悉数战死或负伤，第二十一联队第一大队第二、第四中队，官兵全部战死。
清军见状，立即从桥头堡中冲杀而出，向日军发起反冲锋。日军阵脚大乱，司令官西岛中佐挥刀督战，不准士兵后退。
两军展开白刃格斗。在双方步兵进行鏖战的同时，两军炮兵也展开激烈的炮战。对射不久，日本炮兵中队山本大尉以下24名官兵中弹负伤，器材被毁。
战至拂晓7时，清军派出了增援部队，补充了弹药，士气大振。
上午10时，日军中路第十中队企图攻占中碑街西方江岸堡垒，受到清军步炮十字火力的射击。同时，清军发起反攻，将日军击退。
日军发动第二次冲锋亦未奏效。中队长负伤，小队长以下非伤即死，被迫后退。这时，清军炮火愈战愈强，而日军自午夜零时出发，滴水未进，士兵饥疲不堪，各队弹药亦将用尽。尤其“中央队战线弹药全部射尽，且将校多数伤亡”，已无力再战。
至午后1时，大岛义昌只得下令退却。
各路日军接到命令后，于午后2时许狼狈退离战场。
这一仗，日军遭受了重大伤亡。
据日方公布的数字是：将校以下死者约140名，伤者约290名。其中中队长级大尉军官被击毙4名，中尉军官被击毙2名。第九混成旅团长大岛义昌少将、第二十一联队长西岛助义中佐、炮兵第五联队第三大队长永田龟少佐均被击伤。
清军取得了重大胜利。日人杉浦梅潭曾写诗来描绘这次战斗的艰苦和日军的惨重伤亡：“霜惨烈，风萧索，吾军衔枚乘暗斫。平壤壁，大同江，古来天险称无双。土器店头砦栅固，炮雷进袭弹雨注。……蹀血登，蹈尸进，白日黯，山河腥，此役不克旗下死，呜呼苦战船桥里。”
