大臣陆奥宗光也向驻东京各国公使发出通告：“本大臣荣幸地通知阁下：帝国与清国现进入战争状态”，其盼望战争的急切心情，昭然若揭！
8月1日，清廷下诏正式对日本宣战。同一天，明治天皇睦仁也宣布对大清帝国宣战，两国正式进入了战争状态。随后，欧美列强除俄国外，都先后声明局外中立，想看看东亚两个大国相争的热闹。
中国当时的作战计划稍显简单，即调派陆军于平壤，再南下驱逐日军；同时，以北洋海军扼守渤海湾口，对陆军进驻朝鲜起到掩护作用，作战计划以陆军为主。
而日本大本营制订的作战计划则要复杂得多，但战略重点却和清军反其道而行之，以海战为基础，再决定下一步的战略目标。在中日两国海军实力未明、胜负难测的前提下，其计划分为三个选择：
一、 假如海战失败，中国取得制海权的话，则增派陆军固守已占朝鲜地区，尽可能的击退清军的进攻。
二、 如果海战胜败未分，则由陆军将清军驱逐出朝鲜，以实现完全控制朝鲜的目的。
三、 如果日本舰队在海战中获得胜利，则由海军护送陆军在中国登陆，寻求与清军主力的决战，最终迫使清廷投降。
从双方的战略计划来看，日本人的考虑要更加周全，从后来的战争进程来看，黄海海战虽说算是胜败未分，但北洋舰队主动退出制海权的争夺，其实是给了日本实施第三个方案的极好机会，而清廷所仰仗的淮军等，却早已不复当年之勇，在日本近代陆军的打击下，这些军队在朝鲜和辽东战场上是一败再败，后人也只能徒呼奈何了。
就在丰岛海战打响的当天，日本陆军四千人由汉城出发，对牙山的清军发动了悍然进攻。当时在爱仁号和飞鲸号运送的援军到后，牙山的清军总兵力达到近四千人，只可惜高升号运兵船被日舰击沉，这不仅让牙山的清军损失了近千人的劲旅，而且士气也受到了一定的影响。
当时在牙山清军一分为二，太原总兵聂士成率二千人进驻牙山东北二十公里的成欢进行布防，以防止日军南下偷袭。7月29日凌晨，南下日军气势汹汹的杀到成欢附近的安城渡，由于地形不熟，误入一片沼泽地，遭到了清军的伏击，结果日军猝不及防，被打死打伤不少。但是，由于日军在人数和武器上占据优势，激战两小时后还是突破了清军防卫前沿，进而攻到成欢的主防线。
日本陆军在大炮上的优势很明显，当他们看到聂士成的右翼阵地未配备大炮的时候，便集中自己的大炮猛轰清军右翼。双方激战两小时后，清军抵抗不住，右翼防线宣告失守。结果日军两路夹攻，清军支持不住，聂士成只得放弃成欢防线，率众突围与牙山的叶志超部会合。
叶志超见清军的实力不足以和日军对抗，便和聂士成率主力从朝鲜东海岸绕道北上，渡过汉江和大同江后，在酷暑中行军二十多天，行程两千多里，最终于8月21日和28日到达平壤和左保贵、马玉昆、卫汝贵等路大军会合。
成欢、牙山之战是中日陆军的首次战斗，虽然规模不大，但影响不小。通过这个战役，日本完全控制了朝鲜南部，解除了南部的后顾之忧，由此可以放心大胆的进攻平壤。在此役中，中国军队伤亡二百多人，日军伤亡八十多人，总体来说，日军要占据一定的优势。
随后，日军开始进军平壤。当时的平壤，已有卫汝贵、马玉昆、左宝贵、丰开阿四路大军驻守，平壤之战几乎就是两国陆军在朝鲜的决战，谁取胜即可以控制整个朝鲜半岛。
叶志超、聂士成部大约有三千五百人抵达平壤后，清军在平壤大概有一万五千多人。而日军也不断向朝鲜增派部队，9月上旬，进入朝鲜的日军接近两万，在第五师团长野津贯道的率领下，先锋部队一万六千人已经进抵平壤城外。9月15日，日军分四路完成了对平壤的包围。
再说守卫平壤的清军，平时间各将领却互不统属，在日军的大举进攻前，才最后推叶志超为统帅。叶志超当年的确是淮军猛将，上阵凶猛，个性暴烈，当年干的就是刀口上舔血的营生，但因为多年不打仗，如今和大多数宿将一样，早已是吃得膘肥体壮，人称“叶大呆子”。
叶大呆子听说日军来攻，害怕平壤的后路被日军从海上登陆后切断，便又分兵数千驻守在安州、肃州和义州三地。想法固然不错，但这样使得驻守平壤的清军人数减少到不足一万人，在日军的优势兵力面前，平壤的防守又增加了困难。不过话说回来，日军后来果然在元山登陆，抄袭了平壤后路。
平壤城的三面是石头城墙，一面临着大同江，本是易守难攻。9月15日，日军分四路进逼平壤，并于当天凌晨发动了总攻击。战役首先在平壤南战场进行，凌晨4点左右，日军前队进至大同江南岸名叫船桥里的清军桥头堡阵地时，双方立刻枪炮齐鸣，展开激战。
进攻船桥里的日军有两个步兵联队和一个炮兵联队，大约三千六百人；而防守的清军是马玉昆的毅军和卫汝贵的盛军各一个营共计二千人左右，虽然在人数上大大低于进攻的日军，但好在清军早有准备，让日军吃了不小的苦头。
据桥本海关的《清日战争实记》对船桥里之战的记载说，“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。”
船桥里之战从凌晨打到下午2点半，日军将校以下战死140名，伤290名，可谓是付出了沉重的代价。指挥官大岛见日军弹药用尽，全军饥肠辘辘，只得下令撤离战场。
同天上午8点，日军中将野津道贯率日军第五师团约五千四百人，在大同江上游渡江后，到达城西的普通江，开始发动进攻。防守的清军依据坚固的堡垒，枪炮对射，硝烟弥漫，日军的进攻大都无功而返。而清军骑兵的反攻也在日军炮步兵的配合射击下，损失很大，便退回堡垒固守，而日军也不敢贸然渡江，当天双方在此形成胶着状态。
平壤城北则集结了日军总兵力的近一半，分元山支队和朔宁支队，兵力约七千八百人，是日军进攻的主战场。守卫在此的清军有左宝贵的奉军三个营约一千五百人，江自康的仁字两营四哨约一千四百人，人数上远低于进攻的日军。
15日拂晓，日军两支队分成东西两路，向平壤城北玄武门发动钳形攻势。在强大炮火的支援下，日军以绝对优势的兵力向清军发动了猛攻。广大清军将士虽然奋不顾身，顽强抵抗，但在日军的十二门山炮轰击下，城外堡垒一一被破。
日军随后又兵分三路，攻击牡丹台。在日军炮火的猛轰下，牡丹台宣告失守。在玄武门上督战的左宝贵见牡丹台失守，知势不可挽，决心以死报国。为鼓舞士气，左宝贵换上御赐朝服，亲燃大炮，连发三十六颗榴弹。日军对玄武门发动三次突击，但都被清兵击退，随后双方在壁垒中展开了白刃战。激战中，左宝贵身中两弹，但仍旧坚持指挥作战。后来日军的攻击更加的猛烈，霰弹对准玄武门连发，左宝贵不幸被霰弹击中，当胸而亡。
左宝贵乃回中将领，多年战功升为总兵，平壤之战朝服捐躯于玄武门上，壮哉！后来，光绪皇帝作《御制祭文》悼念说，“方当转战无前，大军云集；何意出师未捷，上将星沉。”王蕲新也在《为左忠壮公书衣冠墓门坊》里说，“本期痛饮黄龙府，不意难回落日戈！”
此时，清军仍旧固守平壤内城，而平壤西、南两处也击退了日军的进攻。但玄武门的失守和左宝贵的战死，让叶志超丧失了继续抵抗的信心。当晚，叶志超召集各统领商议放弃平壤时，只有马玉昆提出反对，叶志超便下令清军撤离平壤。
当天夜晚，大雨突然倾盆而至。在滂沱大雨中，清军结队成群，“或自七星门、静海门蜂拥而出，或由城墙攀越而去；或取甑山大道而走海岸，或由义州大道而向北奔”。整个撤退过程毫无秩序，乱成一团。虽然叶志超先前已经密传各营，要求轻装持械，乘夜北退，但命令过于匆忙，又没有任何的组织性，加上天气的突然变化，清军在撤退过程中，遭到了比守卫平壤时远大得多的损失！
亲历此役的盛军官员栾述善记述当时的惨状，说当晚“阴云密布，大两倾盆。兵勇冒雨西行，恍似惊弓之鸟，不问路径，结队直冲。而敌兵忽闻人马奔腾，疑为劫寨，各施枪炮，拦路截杀。各山口把守严密，势如地网天罗，数次横冲，无隙可入。且前军遇敌击，只好回头向后；而后兵欲逃身命，直顾奔前。进退往来，颇形拥挤。黑夜昏暗，南北不分。如是，彼来兵，不问前面是敌人抑是己军，放枪持刀，混乱相杀，深可怜悯！前行土卒，既遭敌枪，又中己炮，自相践踏，冤屈谁知？当此之时，寻父觅子，呼兄唤弟，鬼哭神号，震动田野。人地稍熟者，觅朝鲜土人引路，均已脱网。惊惧无措，非投水自溺，则引刃自戕，甚至觅石碣碰头，人树林悬颈。死尸遍地，血水成渠，惨目伤心，不堪言状！”
日军料到清军必将北撤，于是派元山支队埋伏于义州大道，第五师团主力埋伏于甑山大道，以截击撤逃的清军。十五日晚到翌日拂晓，漫无秩序的清兵络绎不绝冲出平壤内城，向北奔去。茫茫夜色中，刺耳的枪炮声时时响起，既有日军的伏击，也有清军自己的误击，甚至黑夜中不分敌友，自相残杀。
夜色终于退去，天色渐亮，第二天日军巡阅战场，只见二三百步间，清