驻防平壤城西南、大同江北一线的清军是卫汝贵的盛字军。野津道贯率领日本第五师团本队亦于十六日晨7时发起进攻，清军马队反击，遭到敌人伏击，200多名骑兵全部牺牲。此后，清军凭借坚固阵地顽强防守，日军几次进攻均未奏效，遂暂停攻城，与清军相持。中午过后，两军处于休战状态。平壤城西静海门至七星门一线由叶志超率芦榆各营(牙山军)防守，此日无战事。一天激战，中日双方伤亡基本相等，胜负未分。平壤城北玄武门虽然失守，但日军也未敢贸然入城。此时作为平壤守军最高指挥的叶志超却贪生怕死，惊骇万分，不与众将商议，擅自决定放弃平壤城。午后4时，他在七星门上悬出白旗，派人向日军要求停战。晚8时许，当叶志超指挥清军纷纷从平壤城七星门和静海门涌出、准备弃城逃跑时，遭到日军伏击，死伤近2000人，500多人被俘，军火、辎重损失无数。叶志超率军狂奔不止，经顺安、肃州、安州、义州等地，一直跑过鸭绿江。
十七日，日军占领平壤。平壤战役是甲午战争爆发后中日陆军第一次大兵团作战。此战日军伤亡约700人；清军伤亡2000多人，500人被俘，超过日军伤亡人数2倍多。日军乘胜推进，完全控制了朝鲜半岛，此后更加猖狂，很快将战火烧向中国境内。