如許，餘下的牡丹台東北另一個堡壘，處於伶仃無援職位。日軍的山炮榴霰彈幾次在壘上爆炸，但清軍仍堅陣應戰，抵當頗強，一向戰役到8時才撤出堡壘。至此，從外側保護牡丹台、玄武門的清軍四周堡壘和箕子陵陣地，全數落於日軍之手。日軍元山、朔寧兩個支隊合兵一處，從東、北、西三個方向包抄牡丹台，對牡丹台守軍實施三麵合擊。牡丹台是平壤城的製高點，據全城形勝，牡丹台失守，全城蒙受威脅，以是日軍早已諦視於此，是以集合朔寧、元山兩個支隊兵力，詭計一舉奪占。日軍占據核心堡壘後，當即用排炮向牡丹台據點集合轟擊，保護步兵打擊。清軍在左貴重批示下，憑險把守，以儘力持之，用速射炮向打擊之日本步兵狠惡反擊，日軍戰役非常困難。

但是，牡丹台、玄武門的失守和左貴重的陣亡，使清軍主帥葉誌超嚇破了膽。他與眾將商討，決定棄城逃脫，說：“北門咽喉既失，彈藥不齊，轉運不通，軍心驚懼，若敵兵連夜進犯，何故禦之？不若暫棄平壤，令彼驕心，養我銳誌，再圖大肆，一氣勝利也。”當時隻要馬玉昆一人出言反對，但是葉誌超果斷不聽。

為援助步兵衝鋒，小鬼子集合炮火猛轟牡丹台，牡丹台外城連連中彈，堡壘胸牆被毀，速射炮也被炸壞，清軍喪失慘痛。小鬼子如同螞蟻一樣簇擁而上，我守軍雖搏命抵當，但終因寡不敵眾而敗退，8點30分牡丹台淪陷。

元山支隊集合炮火向牡丹台外西北方最外一壘猛轟，堡壘被毀，清軍被迫於6時50分退走。不久，第二壘也在日軍進犯下棄守。7時15分，元山支隊占據了牡丹台西北方外二壘後，又端掉了江自康所部清軍戍守的箕子陵陣地，直趨牡丹台下。在元山支隊打擊牡丹台外西北二堡壘時，朔寧支隊也向東北二堡壘建議進犯。日將立見尚文起首派兩其中隊步兵向最東北方堡壘打擊。清軍憑壘扼守，戰至7時半擺佈，清軍放棄堡壘。

1894年9月15日夜8時，清軍開端撤退。葉誌超先已密傳各營，輕裝持械，趨夜而退。因事出倉猝，未能周知，加以大雨滂湃，清兵冒雨結隊成群，或自七星門、靜海門簇擁而出，或由城牆攀越而去；或取甑山大道而走海岸，或由義州大道而向北奔。而日軍元山支隊埋伏於義州大道，第三師團主力軍隊則埋伏於甑山大道，以截擊撤逃的清軍。自15日晚間8時至翌日拂曉，清兵絡繹不斷，急奔直衝，成果走到埋伏圈，就遭日軍槍炮攻擊，清兵迴旋不得出，以避彈故，團集愈緊，滅亡愈眾。