剿灭捻军后，叶志超官至总兵。恰逢李鸿章负责处理北洋军务，见叶志超能力不错，就把他留了下来，协助自己练兵。1875年，他率领新式练军驻守在天津新城，后驻扎在山海关，升任直隶提督兼北洋防军翼长。热河发生叛乱时，叶志超率军不到一个月，就收复了热河全境，擒获了其首领，将其车裂。事后，他被赏赐黄马褂。
甲午中日战争期间，叶志超畏惧倭寇，放弃公州，率军向平壤方向逃跑。然而，他却向李鸿章汇报说："成欢一战我军多次胜利，杀了2000多倭寇，而清军只牺牲了200余人。"李鸿章根据他的汇报，把牙山败逃说成是打败了日军，战略转移到平壤，还向朝廷邀功。朝廷听闻前线大捷，非常高兴，赏赐了银子犒劳叶志超部。
叶志超成功掩饰了战败，还获得了奖赏和升官，十分得意，天天设置酒宴，寻欢作乐。他命手下做一些简单的防御工事，不分析和研究当前严峻的形势。显然，他在消极防御。另一方面，其他将领因他谎报军情而升官感到很不满，也不服气。当时，日军在朝鲜的兵力只有1个混成旅，其他部队还没到达，是驱逐倭寇的最佳时机，光绪帝也多次催促叶志超进攻汉城。但他在李鸿章的授意下，不防守，也不主动进攻，错失了良机。倭寇兵临城下时，他依然向朝廷谎报军情，谎称屡战屡胜。
另外，其他部队削弱倭寇的战斗力之后，叶志超没有趁机猛击，反而收兵了。而日军利用这个机会，炮轰城北玄武门，城外的营垒相继失陷。著名爱国将领左宝贵亲自督战，向他求援。但叶志超拒绝出兵，主张放弃平壤逃走。左宝贵很气愤，一面继续指挥将领们作战，一面派人监督叶志超，壮烈殉国。此时，战局对清军是有利的，叶志超却下令弃城逃走，将数万支枪、40尊炮弹和粮食留给了日军。他率军狂奔了500余里，逃回了中国边境。
