面对这一局势，8月1日，清政府光绪皇帝被迫下诏对日宣战。宣战诏书揭露了日本蓄意发动侵略战争的种种挑衅事实，指出：清政府根据朝鲜政府请求，按保护属国旧例，派兵赴朝戡定“变乱”，“及倭人无故派兵，突入汉城，嗣又派兵万余，迫令朝鲜更改国政，种种要挟，难以理喻。。。。。。各国公论，皆以日本师出无名，不合情理，劝令撤兵，和平商办。乃竟悍然不顾，迄无成说，反更继续增兵。朝鲜百姓及中国商民，日加惊扰，是以增兵前往保护。讵行至中途，突有倭船多只，乘我不备，在牙山口外海面，开炮轰击，伤我运船。变诈情形，殊非意料所及。该国不遵条约，不守公法。。。。。。无理已极，势难再予姑容”。诏书谕令李鸿章“严饬派出各军，迅速进剿”。并令沿海各将军、督抚及统兵大臣，整顿军备，遇有日军船舰挑衅，“即行迎头痛击，悉数歼除。毋得稍有退缩，致干罪戾”。
同一天，日本明治天皇也下诏对中国正式宣战。但日本政府的宣战诏书，极尽颠倒黑白，歪曲事实之能事，明明是擅派大军入朝后进行肆无忌惮的武装侵略，却硬说成是“出兵备变，更使朝鲜永免祸乱，得保将来治安”，本来是用突然袭击的卑鄙手段，挑起丰岛海战，却倒打一耙，说是清军“要击我舰于黄海，狂妄已极”。并宣称这场战争系维护东洋之和平，如此等等。
8月1日，中日两国同时宣战，标志着中日甲午战争正式爆发。这时，在牙山成欢失利而突围的叶志超、聂士成率残部奔行千余公里，于8月22日到达平壤，与先期到达的盛字军记名提督总兵卫汝贵统带、毅字军总兵马玉昆、奉军记名提督左宝贵、奉天练军盛字营丰升阿统带四路清军会合。25日，清政府竟任命败军之将、谎报牙山一役胜捷的叶志超为入朝清兵总指挥。叶志超本应率兵积极设防，保卫平壤，但他却提出了一个俟兵齐秋收后合力前进“的消极用兵计划，致使清朝大军处于被动受敌的局面，而此时的日本政府正迅速向朝鲜增兵。
9月13日，叶志超见日军兵临城下，便仓促分区设防。14日，日军完成了对平壤的合围。叶志超在军事会议上以兵力单薄、弹药不足和地形不熟为由，提出了避开日军，弃平壤退致鸭绿江再图反击的方案，但被奉军统领、高州镇总兵左宝贵坚决否定。 15日凌晨，日军分四路向平壤发起总攻，清军各部顽强抵抗，多次击退进攻的日军。左宝贵在牡丹亭、玄武门率奉军抵抗，英勇迎击七千余众的日军，战斗最为激烈。在日军炮火的猛烈轰击下，清兵伤亡较大，牡丹亭失守，退守玄武门的左宝贵知大势难挽，下决心以身殉国 ，在城上，他不避飞来的枪弹，指挥还击，并亲自点燃大炮，向敌军轰击，不幸先后被击中肋下、左额和左胸而壮烈牺牲。左宝贵之死是甲午中日战争中，清军高级将领牺牲战场，为国捐躯的第一人。
玄武门被日军攻占及左宝贵的牺牲，使叶志超骇惧万分，他不与众将领商议，也不顾原驻旅顺口的毅字军总兵马玉昆的反对，下令在城头挂起白旗，然后弃城率兵连夜冒雨向鸭绿江方向溃退，结果遭到日军的伏击，使清军付出了被杀一千五百余人和被俘六百八十余人的惨痛代价。平壤失陷后，清军急行500公里，于9月21日渡过鸭绿江，全部退回到中国境内。至此，日军占领了整个朝鲜半岛。
