日军重创北洋舰队、直取平壤，又攻占大连、旅顺，北京城仍鼓乐连天，弦歌悠扬
就在李鸿章调兵遣将之时，日军对清军已不宣而战。1894年7月25日清晨，三艘日舰突然出现在朝鲜牙山湾附近海域，偷袭并重创两艘中国兵舰济远舰和广乙舰。后又拦截两艘中国运输舰，将一艘载有辎重的舰只掳去，将另一艘不愿被掳、悬挂英国国旗的高升号运兵舰用炮击沉。高升号被击沉后，舰上仅德国教官汉纳根泅水得生，八百余名清军官兵全部殉难。与此同时，牙山的叶志超部也遭四千余名日军的进犯，经过几番激战，叶志超军败退，绕道北撤至平壤。
日军水陆两路向清军开衅，引起清国朝野大哗，朝臣疆吏主战呼声愈高。礼部右侍郎志锐奏请光绪帝发谕旨速筹应急之计；侍读学士文廷式奏请光绪帝亲统军队，以挽救抗敌被动局面；两江总督刘坤一则向光绪帝奏献以坚忍持之之策来制敌，给日军痛予惩创；南洋大臣张之洞亦倾向主战；湖南巡抚吴大徵更是电请统率湘军赴朝督战。光绪帝见群臣主战，甚感欣慰，他再次向太后领懿旨后，于8月1日下对日宣战谕旨。同一天，日睦仁天皇亦下宣战诏书，并随即遣大军入朝。
光绪帝宣战后八天，卫、马、左、丰四支大军已集结于平壤，加上从牙山败退来的叶志超军，总兵力约一万五千人。这几支清军都是练习西洋新式枪炮多年的清军精锐，作战时将士都很英勇。
李鸿章开初电令入朝清军先定守局，后得知日军又从元山登陆，便急电军统叶志超挑选精锐，间道出奇，给日军以拦头痛击。但叶志超胆怯怕死，惟恐敌人切断后路，根本无心固守平壤。他又不善谋略，在军中没有统帅的威望，以致调度不一，多次丧失战机。在根本未察悉敌情之时，叶志超误听人言盲目夸大日军数量，极大影响了军心，故清军一经接战后便连连溃败，日军则乘胜节节进击。
睦仁天皇为便于指挥作战，把入侵朝鲜的两个师团一万九千人统编为第一军，以枢密院议长山县有朋任司令官。9月12日，日军集一万六千余人分两路合击平壤。开始，各路清军进行了有力抵抗；但在日军顽强进攻下，清军渐渐不支而后退，最后全部退入内城。而日军逼近内城后，自己也弹尽粮绝；又逢雷雨交加，士卒饥疲，处境极为困难。然而叶志超这时却想弃城不守，亲自致书日军表示退仗休让，还令人在城门悬起白旗。至夜，他令左宝贵死守玄武门，自己率清军主力冒倾盆大雨撤出平壤，并丢弃大炮、枪弹、粮食、军用锅等全部辎重。日军见了即趁机夹击，斩杀清军两千余人。
叶志超率军逃到安州后，为掩饰败绩，特上奏欺骗光绪帝：“倭人遽以三四万之众猛扑环攻，禆将率军苦战五昼夜，子尽粮绝，退出平壤。”接着，他率军狂奔五百里，退过鸭绿江，驻扎九连城，又致函欺骗直隶总督李鸿章。李鸿章不明真相，竟奏请光绪帝表彰叶志超，袒护其败绩：“平壤大小百余战，我兵均胜，杀倭兵万余人。不料天降冰雹，不得已，我兵退守，倭兵两山夹攻，我兵伤亡甚众，平壤因此失守。”光绪帝得奏，信以为真，即降旨慰勉。慈禧太后闻叶军作战顽强，特降懿旨发宫中撙节银三百万两佐军饷。后御史王鹏运上折揭发叶志超自报的战功纯属捏造：“日军攻平壤时，每人只有一个小弹药包和两天的干粮，攻占平壤仅战死一百八十人。叶志超军如能坚守两天，日军则不战自退。”光绪帝见折大怒，即颁令将叶志超下刑部定斩。
在攻陷平壤之前，日本大本营已在计划消灭清军水师北洋舰队。睦仁天皇为此特别旨令好战且善战的桦山资纪中将接任海军军令部部长，同时将日本海军的常备、西海两个舰队统编为联合舰队，以伊东佑亨为司令官。
日本陆军攻陷平壤的第二天，联合舰队即长途奔袭，直扑在鸭绿江口附近的北洋舰队。9月17日近午时分，完成护航任务的北洋舰队操练之后准备午餐时，旗舰定远舰的了望兵发现日舰十二艘列阵驶来，立即报告提督丁汝昌。丁汝昌大惊，即命停止就餐，准备接战。他听从副提督戴乐尔的计谋，令舰队变换掎角鱼贯阵形，以夹缝雁行阵全速迎敌。
北洋舰队的十艘战舰扑入敌阵后，将日舰截成两股，开动重炮、火炮、速射炮、机炮与之展开激烈炮战。然而，由于日舰时速较快，每舰都配有二十门速射炮，其火力很快就压住了北洋舰队。
