六月十六日（7月18日），清廷军机处给左宝贵发去了一封电谕：“著抽调奉军带赴朝鲜平壤城，会办军务。”六月十九日（7月21日），接到援朝命令后，左宝贵命令奉军三营、靖边军五营一共八营分起开拔，到九连城会齐，自己于二十三日起行，二十七日抵达九连城。聂桂林四营在九连城等候；驻营口之奉军右营步队、驻奉天之左营步队、靖边军后营，均于十九日前后起程。驻法库门（今辽宁法库县，清朝初年曾在县城北修筑柳条边，定城北为西段12边门之一，即为法库门）的奉军左营马队，已经发了调动命令。共计有马队两营、步队六营奉调入朝。马队每营263人，步队每营500人，共计3526人（光绪二十年六月二十六日《钦差大臣定安奏请补足奉天兵额俟朝鲜事平再复旧制片》）。

7月下旬，在清廷和李鸿章的严令之下，盛军、毅军、奉军、奉天吉林的练军共计一万三千五百多人，开始启程迭次入朝，这就是史称的“四大军入朝”。

1894年9月4日，左宝贵向距平壤东北约40公里的成川派出骑探，侦知日军已分路向平壤围攻，兵力分散，每路日军兵力均较单薄。7日，左宝贵集合马步15营计7000余人，分左、中、右三路向平壤南中和、黄州方向出击，以3000人北进向元山方向出击，准备集中优势兵力，打击敌军一路，以收各个击破之效。这一主张得到诸将赞同。“各统领奋勇争先，均挑八成队，前赴中和”。7日晚，向元山方向出击的部队已达江东县，8日晨，南进部队也已出发。这时叶志超突探闻另路日军已进入成川，平壤后路吃紧，急将南北出击部队调回，放弃了主动进攻敌人的有利战机。关于这一点，日本军事评论家誉田甚八曾认为：清军集中兵力出击的“计划果能成功否，不能断定，但若实施之，则使当时分离日军之行动，不能在同一时期出现在平壤城下，因是至少可缓平壤陷落之期。当时日军包围攻击运动，殊为危险，若清军正当行动，拒止一方，向他方举首力转取攻势，则可得逐次各个击破之机会。然清将不能取如斯果敢之策及其军队缺乏移动性，遂唯见其实施之端绪，未见遂行。其南下邀击之顿挫，实清军之不幸也”。从这些评论可以看出，连日本军人也为中国军人未能实现主动出击，丧失对日军各个击破的有利战机表示惋惜。

进攻平壤的日军前后到达平壤外围。14日完成了对平壤的合围。少数贪生怕死的清军将领，见日军来势汹汹，主张弃城逃走。左宝贵十分气愤，怒骂道：你们这些人要是怕死的话可以自行离去，此城就是我的墓冢”，坚决表示了与平壤共存亡的决心。当晚，叶志超召集诸将会议，想要退守瑷州。当时诸将依违参半，唯左宝贵力言：“敌人悬军长驱，正宜出奇痛击，使只轮弗返，不敢窥觎中原。朝廷设机器，养军兵，每岁靡金钱数十万，正为今日耳，若不战而退，何以对朝鲜而报国家哉?大丈夫建业立功，在此一举！至成败利钝，不遑计也”。左宝贵慷慨陈词，怒色形面，恳望叶志超“同心合力，共济时艰”，坚决反对弃城逃跑，并密令亲兵监视叶志超以防其逃遁。为表示死守平壤决心，在战斗打响前，左宝贵遵守回族礼仪，先期沐浴，誓临阵死节。

日军对平壤发起总攻，平壤保卫战开始打响，左宝贵率奉军防守平壤北面的牡丹台、玄武门一线。日军虽然从南、西南、北等几个方面同时向平壤发起进攻，但城北的牡丹台、玄武门一线是其主攻方向。其他方面仅是佯攻，目的为吸引清军注意，以便于北面的进攻。进攻平壤北面一线的日军是第五师团的朔宁支队和第三师团的元山支队，兵力占进攻平壤日军的三分之一以上，因而是平壤保卫战最激烈的战场。

守卫平壤的清军在玄武门外筑垒五处，分两重。内重牡丹台，牡丹台外重自东北向西北方向沿丘陵构筑外垒四处。1894年9月15日凌晨5时5分开始，日本元山支队集中炮火向牡丹台外侧西北方两个堡垒开始了猛烈炮击，以掩护步兵冲锋。守卫堡垒的清军进行了顽强抵抗。左宝贵亲自到城上指挥，清军奋力抵抗，日军死伤无数。日军在军官的督战下，拼死突进。6时20分左右，战斗益趋激烈。元山支队为了打开突破口，集中全部炮火向西北最外一垒猛轰。堡垒被毁，守垒清军被迫于6时50分撤退。不久，第二垒也在日军炮火环攻下失守。7时15分元山支队占领玄武门外西北外侧二垒后，按既定部署直抵牡丹台下。

在元山支队进攻西北二垒的同时，朔宁支队也向牡丹台外东北方向的两个清军堡垒发起进攻。日军首先以两个中队的兵力在旅团副官桂大尉的指挥下，向最东北方外侧的堡垒发起猛冲。清军凭垒拒守，以连发毛瑟枪进行还击。击伤敌指挥官桂大尉和两个中队长小仓中尉和本间中尉。但日军在炮火支援下连续发起猛冲，战至7时半左右，清军不支，终于弃守东北方的外一垒。这样余下的外重最后一个堡垒，便处于孤立无援的境地。日军集中全部炮火向外重最后一个堡垒倾泻，山炮榴霰弹频频在垒上爆炸。但清军“仍坚阵应战”，一直坚持到8时才最后撤出堡垒。至此，从外侧掩护牡丹台的清军四处堡垒，全部落于日军之手。日军元山支队与朔宁支队会合，从东、北、西三个方向包抄牡丹台，开始对牡丹台守军“三面合击”。

牡丹台是平壤玄武门外的一个制高点，据全城形胜。牡丹台失守全城将遭到威胁。日军早已注目此地，企图一举攻占。因此，在占领外围堡垒后，立即立炮于垒上，用排炮集中向牡丹台守军轰发。守军在左宝贵指挥下，凭险据守，“以全力持之”，用速射炮向进攻之敌步兵迅猛还击，日军步兵在清军强大炮火攻击下，伤亡惨重，无法前进，“战斗颇为困难”。为了援助步兵冲锋，日军集中元山、朔宁两个支队的全部炮火专注牡丹台垒排轰。牡丹台外城连中数发榴霰弹，堡垒胸墙被毁，速射炮也被击坏，士兵伤亡甚重。日军乘势发起冲锋，蚁附而上。在日军步炮夹攻下，牡丹台垒最终陷落。

正在玄武门指挥作战的左宝贵，见牡丹台失守，“知势已瓦解，志必死”。往日，他“每临敌，辄衣士卒衣，身先犯阵。至是，乃衣御赐衣冠，登陴督战。”部下劝他换掉翎顶和黄马褂，以免敌人注目。左宝贵回答说:“吾服朝服，欲士卒知我先，庶竟为之死也。敌人注目，吾何惧乎？”于是穿上御赐衣冠，登陴督战，往来观察指挥。营官杨某见城上危险，欲挽左宝贵下城躲避，左宝贵将其推开，并亲燃大炮向敌军轰击，先后“手发榴弹巨炮三十六颗”。激战中，左宝贵已受枪伤，犹裹创指挥，誓死抵御。部下将士见状，无不英勇搏敌，拼死防战，“日兵三突之，清兵三退之”，直至城墙崩碎。

正酣战间，忽一炮弹飞来，将清军火炮击碎，弹片击穿左宝贵肋下。左宝贵负伤不退，裹创再战，血染征衣。不久，又一弹飞至，左宝贵中弹扑地，将士赶去看时，左宝贵的身体已被炮弹击穿。当时尚能说话，下城后陨殁。左宝贵也是甲午战争中清军高级将领血战沙场，壮烈殉国的第一人。

平壤战败后，清廷紧急调遣老将宋庆组织鸭绿江防线。一时间，以九连城为中心的鸭绿江地区汇集了大量清朝军队。这些部队计有宋庆、马玉昆的毅军9营，依克唐阿的镇边军13营，恒额的黑龙江齐字练军6营，聂士成的芦榆防军6营，吕本元、孙显寅的盛军18营，刘盛休铭军12营，江自康的仁字营5营，耿凤鸣、丰升阿奉军13营，共计80余营，员额达28000余人。

但鸭绿江防线面对的日军也非平壤可比了。

日军在鸭绿江前线动用了两个师团组成的第一军，总兵力达到3万人。而相比之下，鸭绿江防线上的清军，虽然员额有28000余人，但由于编制严重不足，实际的兵力只有20000左右，只有日军的三分之二。鸭绿江防线毫无疑问很快陷落。奉军这只曾经的精锐部队也逐渐淡出人们的视线。