叶志超和聂士成之残兵汇合后，为了躲避日军，他们选择了绕过汉城，沿着朝鲜东海岸抵达平壤，行程计1000余里。时值盛夏，清军士兵沿途饥疲交加，死者甚多。队伍到达平壤时，已经不成建制，蓬头垢面的兵勇们个个衣衫褴褛。此时李鸿章派遣的左宝贵、马玉昆、卫汝贵、丰升阿四部已到达了平壤。见成欢败兵如此惨状，士气沮丧遂开始在军中蔓延。
月夜大战高丽平壤城
叶志超到达平壤后向朝廷虚报战绩，谎称成欢之战击毙日军2000余人。清廷大喜，遂命叶志超统领平壤城五部清军。9月8日，清军完成平壤城守备。这时，清军总计步、马、炮兵约1.5万人，野炮4门、山炮28门、速射炮6门，军粮足够全军一个月之用。9月15日，1万6千余日军兵分四路开至平壤，旋即对城池进行攻击。这一次，日军再次使用对步兵杀伤力极强的榴霰弹，弹丸在清军阵地凌空爆炸，使躲藏在堡垒内的清军死伤惨重，败兵纷纷弃堡而逃，平壤城的牡丹台就此失陷，清将左宝贵战死。叶志超听闻牡丹台失守以及左宝贵阵亡的消息后，再次丧失斗志，于当夜9时冒着倾盆大雨再度弃城逃亡。经此一战，日军了解了清军的脆弱，更坚定了将战争扩大到清国本土的决心。
