在这些因素的作用之下，慈禧太后终于点头，同意了对日本宣战。
1894年8月1日（光绪二十年七月初一），中日双方正式宣战。清朝在其宣战诏书中指出朝鲜历来是中国的附属国，中国是应朝鲜政府的要求出兵的，相反日本“不遵条约，不守公法，任意鸱张，专行诡计，衅开自彼，公理昭然”，令中国忍无可忍，因此“着李鸿章严饬派出各军，迅速进剿，厚集雄师，陆续进发，以拯韩民于涂炭。”日本明治天皇睦仁在宣战诏书中则针锋相对，声称“朝鲜乃帝国首先启发使就与列国为伍之独立国”，声称其开战原因是“帝国于是劝朝鲜以厘革其秕政……朝鲜虽已允诺，清国始终暗中百计妨碍……更派大兵于韩土，要击我舰于韩海，狂妄已极。”表示其目的是“使朝鲜永免祸乱”、“维持东洋全局之平和”、“宣扬帝国之荣光于中外”。
中日宣战之后，满清新军从和川西的边境，通过铁路调往东北和朝鲜，四十万新军，除了留下几万人镇守边境和地方之外，其余的全部开赴战场。这无不显示出了满清打赢这一场战争的决心。同时，日本也针锋相对的展开了动员，除了之前增设的六个师团之外，另外再增加十个师团。为了打赢这场战争，日本更是向各国举债。这个时候，世界主要资本主义国家逐步向帝国主义过渡，日本的侵略行径在一定程度上得到西方列强的支持。美国希望日本成为其侵略中国和朝鲜的助手；英国企图利用日本牵制俄国在远东的势力；法国为了趁日本侵华之机夺取新的利益，也支持日本侵略中国。俄国虽然对中国东北和朝鲜怀有极大的野心，但尚未准备就绪，因此对日本采取不干涉政策。列强默许或纵容的态度，成为日本实施侵略计划的有利条件。
1894年7月下旬，中日两军在朝鲜境内开战。清军在丰岛海面被日军偷袭之后，很快也被在陆上的成欢驿的日军偷袭，由于朝鲜政府已被日本控制，叶志超、聂士成等部驻牙山的清军被迫绕道汉城，北撤到朝鲜北部重镇、平安道首府——平壤。
9月7日，平壤之战爆发。这是满清和日本双方受此陆军大规模的作战。当时，驻防平壤的是大清新军第五镇和第八镇，总兵力四万余人。进攻平壤的则是日本第2使团和第五师团，总兵力三万七千余人。双方兵力旗鼓相当。平壤城的地势也非常险要，易守难攻。而且清军还得到朝鲜人民的支持。当时虽然朝鲜政府被强行拉到日本阵营，但朝鲜的平安道观察使闵炳奭积极协助清军作战，甚至连日本推上台的傀儡大院君李昰应都暗中给清军传递情报。可惜清军并未充分利用这些优势，由于其主帅叶志超指挥失误和临阵脱逃，导致清军失败，以至于影响了整个战局。
9月7日，日军分四路围攻平壤，兵力分散，由于李鸿章“先定守局，再图进取”的作战方针以及清将叶志超的胆小昏聩，第八镇统制左宝贵等人攻打日军的行动不断遭到叶志超的阻挠，日军遂于9月14日顺利完成了对平壤的包围。
战事非常激烈，虽然满清新军处于下风，但依然抵挡住了日军的进攻。叶志超贪生怕死，在战局胶着的情况下，竟于午后四时树白旗停止抵抗，并下令全军撤退。日本便在清兵的退路上设下埋伏。当天雨夜，撤退的清军中伏，阵脚大乱，死亡近5000人，被俘3000余人。平壤之战以清军大败告终。以后6天中，清军狂奔五百里，一路逃至鸭绿江边，于21日渡鸭绿江回国。日军一路高歌猛进，占领朝鲜全境。
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