从9月15日凌晨1开始，战至中午，平壤攻防线的基本形势是：
大同江南岸船桥里战场，马玉昆所部毅军击退日军进攻，并获大捷；
城西南大同江北战场，卫汝贵所部盛军阻止了日军的进犯，胜负未分；但有城北面牡丹台、玄武门战场清军堡垒尽失，玄武门失守。
平壤全部暴露于日军的炮火之下。战局虽然危急，但也未至不可收拾的地步。
但此时，平壤城上却飘起了白旗。
下令挂起白旗的不是别人，正是那个主张不战而退的叶志超。
牡丹台、玄武门的失守和左宝贵的牺牲使叶志超骇惧万分。
他不与众将商议，决定弃城逃走，下令在大同江岸及西南门一线坚持战斗的马玉昆、卫汝贵迅速撤军。并于午后4时在七星门上悬出白旗，派一朝鲜人，致书日军要求停战。同时在静海门、大同门等地亦树起白旗。
这时，天气骤变，电闪雷鸣，大雨倾盆。
敌将立见尚文接书后，估计清军要求停战，是缓兵之计，可能利用雷雨的机会，趁黑夜弃城逃走。
于是命令朔宁、元山两支队，“须严加警戒，如敌军逃走必须截击”，并将元山支队第十八联队埋伏在通往义州大道上，截击清军向义州撤退，全军在雨中露营以待。同时，派人向师团长野津道贯报告，要师团本队派兵在通甑山大道上进行埋伏截击。
当夜9时许，清军果然冒倾盆大雨，纷纷由七星门、静海门涌出，有的则攀越城墙而出，由义州大道向北仓皇撤退。
清军不知日军早有埋伏，争先夺路奔逃，溃不成军。
行至埋伏圈内，日军立即开枪狙击。枪炮排轰，清军大乱，自相践踏，受伤未死的官兵纵横偃卧，求死不得，哀号之声，惨不可闻。自15日晚9时至16日凌晨，清军在日军埋伏截击下，死伤累累。仅城西箕子陵下二三百米之间，清军“人马尸体堆积如山，道路为之埋没，溪流为之染红”。尸体堆积最密体之处，在50米以内，伏尸120具，毙马30头。其惨不可言状。
据参加平壤战役被俘的栾述善所著《楚囚逸史》一书，记载清军溃逃中遭受日军截击的惨状说：
“阴云密布，大雨倾盆，兵勇冒雨西行，洮如惊弓之鸟，不问路径，结队直冲。……前军既遭敌人截击，只得回向后，而后兵欲逃身命，直顾前奔，进退往来，颇形拥挤。黑夜昏暗，南北不分，前面来兵，是敌人、是已军，不遑暇问，持刀开炮，混乱相杀。查怜前行士卒既遭敌枪，又中已炮，自相践踏，冤屈谁知？值此之际，父寻子觅，兄呼弟唤，鬼泣神嚎，田野震盈。人地稍熟者，觅朝鲜土人引路，均已脱网。有惊惧失措，投水自溺者，有引刃自戕者，甚至觅石碣碰头，入树林悬颈。死尸遍地，血水成渠惨目伤心，不堪言状。”
在甑山大道，清军被第五师团本队伏击，死伤也达数百名。总计清军在溃退时被日军埋伏截击和人马腾藉，自相践踏而死者近2000人，被俘500余人。至于军火、弹药、粮食及其他各种物资损失不计其数。据日军统计在平壤掳获的战利品的：17厘米克虏伯野炮、山炮及各种口径的大小炮35门，步骑连发枪550支，单发后膛枪400余挺，车辆156辆，马匹250头，大米、小麦等各种粮食4600余石。以及大批炮弹、子药、信管、金银、货币和其他军用物资无算。
清军溃退后，9月16日晨，日军摆出一副征服者架势，分别由玄武门、静海门入城，占领了平壤。
叶志超由平壤溃退被截击后，率残部仓皇北逃。时安州尚有马步8营，可整饬战守，但叶志超经过顺安、肃州、安州、义州等地，均弃而不守，狂奔500里，一口气渡过鸭绿江方才停下来，狼狈退入中国境内。
事后，又向李鸿章谎报军情，夸大敌人兵力，掩饰败绩，虚报战功。李鸿章包庇亲信，欺哄朝廷，吹嘘“倭兵三、四万分扑平壤，我军奋勇迎敌，力战五昼夜，弹尽粮绝”。并嫁祸于人，把叶志超率军逃跑的责任推在别人身上。硬说“奉营营官守备扬建胜首先开城脱逃，……统带仁字营记名提督江自康，驻守城外北山，先自撤队，……统带盛字左军四川重庆镇总兵孙显寅，出险不停，直奔沙河”等。结果，这些人分别受到不同处分，做了替罪羊。
叶志超谎报军情，虚报战功，居然得了“力疾督战”的美名，并“加恩免其议处”。叶志超一手造成的平壤大溃败，就这样马马虎虎的结束了。直到后来，有人弹劾叶志超，清政府派宋庆查明事实，后被革职查办，交刑部治罪。
平壤战役中清军阵亡2000人，几乎都是在逃跑时被打死的，而日军只死亡180余人。
高级将领丢下的私产有金币12箱（其中金块67块、金锭61个）、砂金14箱、大小包裹30来个。
清政府发给的军饷和大量银块，约10万两，叶志超也来不及运走了。而且，一些重要的机密电稿、文书等竟未作任何处理，弃之不顾。
日军胜利是由于清军当事者无能，这是后世对平壤战役的评价。
日军方面，尤其从补充给养方面来说，真是打了一场如履薄冰的战斗。叶志超挂出的白旗，确实把打光了子弹的日军救了。
以中日两军攻防的角度观察：平壤城垣高厚，形势险要，易守难攻。城内粮食足够全军一月食用，武器弹药也不缺乏。如果叶志超等能认真布置平壤防务，凭借险要，固守待援，日军长途跋涉，运输困难，粮食弹药供应不足，军士饥疲，病者甚多。进攻平壤各部日军仅携带两天口粮，如果清军坚持守卫两天以上，日军不仅不会如此轻而易举地攻陷平壤，且势必全线溃退。但由于叶志超的畏功怯懦，自行退守，在撤退中又毫无准备，慌乱溃逃，以致惨遭伤亡，损失严重。
可以说，平壤之败，不败于战，而败于主帅的怯懦溃逃。除叶志超外，其他将领也大部缺乏指挥才能。
正如著名的军事史评家马士在其所著的《中华帝国对外关系史》中所指出的那样：平壤战役，“中国将帅之中只有左宝贵一人曾经表示出一点儿个人的勇敢，却没有一个人表现出一点儿将才。”这话也不是没有道理的。
战后，日本军事评论家在评点平壤战役时，也对清军将领的无能作出了如下评述：
9月4日，清政府训令叶志超，乘日军不备，主动出击由南方北进的日军。9月7日，叶志超依此训令，派8000清兵分兵三路，向南推进至贵州，以阻击3000北进日的日军。但遗憾的是，叶志超在三路清军行进2天之后，又改变了计划，命清军无功而返。清军能否阻止日军北上，不能断定，但至少可以延滞日军的行动，使日军不能在同一时间出现在平壤城下，缓解平壤围困的力度，平壤的陷落至少要推迟几天。在日军攻城之时，清军若奋力阻止一方，倾全力于另一方采取攻势，聚而歼之，逐次各个击破，两军胜负则难预料。但清军将领缺乏这种果敢精神和机动性。
这一评论是颇有见地的。
李鸿章得知兵败朝鲜时，正在直隶总督府与众幕僚商谈对日战争。他几乎是暴怒了，他三下二下撕碎电文，一脚踢翻茶几，只听得茶杯叮当作响，碎了一地。
李鸿章气得面色发红，胡子乱颤。大骂道：“贼娘！真是一群废物！一群饭桶！猪！与敌人旗鼓相当，却败得如此迅速，真是千古奇闻。至少得拼一下吧？贼娘，我敢打赌，他们除了望风而逃，什么也干不了。”
说罢，他又一把将放在旁边的自鸣钟摔在地上，呜呜大哭道：“没想到勇冠一时的淮军，竟衰败到了这等地步！先是八旗、绿营，然后是湘军，现在轮到淮军了。你们告诉我，这到底是怎么了？”
幕僚们吓得大气不敢出。还是袁世凯胆大，他说：“中堂大人保重身体，千万不要被几个废物气坏了身子。反正我们现在又没有曾国藩、左宗棠和您老那样足智多谋、一身是胆的统帅了。军队里尽是一些懦弱无能之辈，打败仗也是没有办法的事。”
李鸿章收住泪，叹道：“这是天意吗？一代不如一代！平常花了那么多钱饷养着这些家伙，原本指望他们能抵一点儿事，却不料成事不足，败事有余。一个嘴唇刚长毛的小国，也敢耀武扬威，真是欺我中华无人啊！”
薛福成说：“当初，涤丈（曾国藩）弥留之际，已察觉国势之衰微，非人力可以挽回，曾叹息数声，说要‘看少荃的功夫了。不过以一人之力，肩山之将崩，也太难为少荃了’。国是如此，中堂也不能太过伤心。”
李鸿章出神地望着窗外的灰光，说：“真是愧对涤丈的在天之灵了。如他老健在，必挽狂澜于既倒！我辈德才，皆不能望其项背啊！”
大家都欷歔不已。
这时，外面那种奇怪的灰蒙蒙的光线透进来，使得屋子里也变得灰色一片。这暗淡的光笼罩着每一个人，仿佛是一种宿命，一种无法抵抗的结局。
李鸿章疲倦地跌坐在灰光里，觉得没有什么可以再说的了。
