8月10日，为了保护己方向朝鲜运兵船队的安全，始终摸不透北洋海军行踪的日本联合舰队，采用弱舰佯攻、优势主力舰在后埋伏的方式进攻威海，意图引诱北洋海军决战。此举虽然最终因北洋海军不在威海而告失败，但日本海军出现到了作为京畿门户的渤海，立刻在清政府中央引起震动。

8月23日光绪帝直接干涉前敌的军事布署，严令：“……威海、大连湾、烟台、旅顺等处，为北洋要隘、大沽门户，海军各舰应在此数处往来梭巡，严行扼守，不得远离，勿令一船阑入，倘有疏虞，定将丁汝昌从重治罪！”[13]本来根据李鸿章的谋略，多少还带有出海巡歼弱势敌舰希望的北洋海军，就此被死死锁在了渤海湾内。

中日开战后，日本陆军很快编成了由第三、五师团组成的作战兵团第一军，陆军大将山县有朋伯爵任军司令官，预备海运投入朝鲜，从速扫除在朝的中国军队。开战初期，日本联合舰队也和中国北洋海军一样，很多时候都在忙于护送陆军运输船队。

随着抵达朝鲜的军队日益增多，从9月1日开始，日本第一军以野津道贯中将指挥的第五师团作为主力，朝北方中国军队主力所在的平壤城前进。侦获这一紧急军情，平壤守将叶志超担心日军会包抄平壤后路，威胁平壤中国军队的补给线，立即电报李鸿章请求增派援军加强平壤后路防御。

9月15日，原驻守大连湾炮台的淮系铭军抽调出4000精锐兵力，由总兵刘盛休率领登上招商局轮船，在北洋舰队主力护卫下开往大东沟，准备登陆进扎平壤后路。

未曾料想，就在北洋海军护送刘盛休铭军船队航行在茫茫大海上时，平壤大战已经决出胜负。依照预定计划，日军第五师团和第三师团一部分四路进发的16000余兵力在9月14日午夜如期抵达平壤城下，15日拂晓4时30分开始总攻。大同江对岸，马玉昆毅军和卫汝贵盛军各一部共2200余人抵御前来进攻的日军第九旅团3600余人，英勇奋战，不仅守住了阵地，而且发起反冲锋，连夺日军两道战壕。平壤西南，日军第五师团主力5400余人与守卫该处的卫汝贵部盛军激战，盛军首先发起前仆后继的冲锋，遭遇重大伤亡后退回坚守阵地，战至午后，该方向日军毫无进展。平壤城北部玄武门外的牡丹台是俯瞰全城的制高点，日军在此投入第五师团朔宁支队和第三师团一部共7800余重兵，而防守该处险要位置的中国军队仅有左宝贵奉军和江自康牙山军残部共2900余人，恶战至上午8时30分，牡丹台高地失守，午后玄武门被攻破，奉军统领左宝贵在恶战中以身殉国。有鉴于平壤防御已被突破一个缺口，而且守军补给即将告罄，总统叶志超于是下令各军于当晚放弃平壤后撤。