鸭绿江防线
9月16日凌晨，北洋舰队主力护送着4000余名淮军将士在鸭绿江口登陆朝鲜义州，准备增援平壤。这支部队是当时淮军的绝对主力铭军，统帅是记名提督刘盛休（刘盛休是刘铭传的族侄，在刘铭传、刘盛藻这些铭军宿将纷纷告老还乡后，他承继了整个铭军的指挥权，后来驻防在辽东半岛金州一带，保卫北洋舰队的旅顺基地），在铭军登陆后不久，北洋舰队就在大东沟与日本联合舰队的主力相遇，双方爆发了大东沟海战。
刘盛休
9月17日，铭军侦察兵探知平壤城已经失守，大队清军正向义州溃退，刘盛休因此决定按兵不动，并下令修整兵马，加强防御，接应平壤的败军。同时另一路援朝部队是总兵吕本元率领的盛军骑兵（5营1哨）共1300人，在接到李鸿章增援平壤的命令后就一路急行军，而且由于骑兵的机动力强，在铭军刚登陆义州的时候，他们已经到达了朝鲜定州。这时吕本元亦探知平壤失陷的消息，而且大量败兵在溃退的路上，为了掩护败兵撤退，吕下令全军移动至清川江右岸，并派出大量哨兵密切注视日军的动向。9月18日，刘盛休及增援朝鲜的各部队都得知了北洋舰队在海战中失利的消息，这极大地撼动了援朝部队的士气（毕竟号称“东亚最强”的舰队也败于日本人之手）。
辽东战役
9月19日，李鸿章正式将海陆两军失利的消息上凑给光绪皇帝，并且提议将援朝的军队全数集结于义州，阻敌于国门之外。在获得光绪皇帝同意后，李马上将此消息电告刘盛休，但刘是剧烈反对，并说了部队实际的情况和自己的建议：援朝部队已经因海陆二战失利的消息导致士气低沉，如果士兵得知要在义州背水一战，不但不能激发他们死战的意志，还可能因为知道自己身处死地而发生大量的逃亡，所以恳请朝廷允许他们退守鸭绿江西岸的九连城，利用城防和有利地形阻击日军。更最重要的是士兵回到国土后，他们知道就算被围困都会有援兵来救，这样反而能够坚守阵地。这个建议得到李鸿章的支持，并上奏朝廷等候批示，不久朝廷准许了李的上奏。9月20日，平壤败军中的毅军、练军和奉军到达义州，次日叶志超的部队、聂军和盛军撤至义州。同时奉光绪皇帝之命的四川提督兼旅顺要塞守将宋庆老将军也率部抵达九连城。9月21日，在叶志超等败军进入义州之际，黑龙江将军依克唐阿率领3000人马进驻九连城。9月23日，镇守义州的所有清军部队全部退回境内，在九连城到安东一带筑起防线，依托鸭绿江这条天然的护城河对抗日军。9月25日，清军完成鸭绿江防线的布置。
辽东战役示意图
在鸭绿江防线布置完成后，叶志超深知自己罪责难逃，因此决定自肃（自己绑起自己等待处罚）等候朝廷降罪。而那位卫汝贵总兵也同样被朝廷追责，甚至情况比叶志超更为严重，叶毕竟还有自知之明，在溃退回国后，积极参与防御工事的修筑，并且在完成防线后就主动放下兵权，自肃等候朝廷发落。而卫汝贵就没有叶志超这方面的政治觉悟，况且卫汝贵在援朝之时，李鸿章就已经提醒他，要约束好部下，不要为非作歹，要为国尽力，并且警告道“敌氛逼近，若酿成大乱，汝身家性命必不能保”（毕竟盛军是援朝军队中人数最多的）。但卫汝贵丝毫没有将李鸿章的说话放在心头，盛军在入朝后便一路奸淫掳掠（连同行的奉军和毅军都看不过眼），导致清军在朝鲜的民心尽失，反观日军则军纪严明，导致朝鲜百姓心中慢慢倾向于日军。然后在平壤会战中，卫汝贵一心一意只打算撤退，并没有真心想守住平壤，导致盛军的士气低沉（本来一开始盛军还是打的不错的）。而且大有挟军自重威胁其他同僚的势头，加上卫汝贵与妻子的私人信件被日军缴获，个中内容更是丢人现眼，信中写到“君起家戎行，致位统帅，家既饶于财，宜自颐养。且春秋高，望善自为计，勿当前敌……”（夫君，你做到统帅这一级不容易，咱们现在又不缺钱，你年岁又大了，打起仗来可一定注意，不要冲在前面啊）。彻底将军人应有的气节全部丢尽，更被日军拿来当反面教材刊印天下，为万民耻笑。10月18日，朝廷将卫汝贵和叶志超革职查办，并且为了整肃军纪，判处叶志超斩监候，卫汝贵斩立决，不久后卫总兵便人头落地（其实慈禧曾打算救他一命，但奈何群情激愤，慈禧也明白必须有人要为朝鲜战役的失败付出代价，所以只能让他当了替死鬼，相反叶志超在1900年获得赦免）。
宋庆
在叶和卫被革职查办的同一时间，朝廷任命老将宋庆和黑龙江将军依克唐阿分别担任右翼总指挥和左翼指挥，让他们统率整条鸭绿江防线。为了巩固清朝龙兴之地的防御，朝廷继续增派援军前往防线，宋庆也对各军作了调整，叶志超的残部全部由聂士成掌管，盛军则由总兵吕本元和孙显寅掌管。这时鸭绿江边已经集结了81营5哨共34000人和90余门火炮，宋庆下令九连城堡垒防御由铭军负责，记名提督刘盛休率领步兵10营1哨，马兵1哨，配野战炮14门，山炮15门，兵力4750人；栗子园、虎山一带防御由聂军负责，总兵聂士成率领步兵6营1哨，铭军调借的马兵1营，山炮10门，兵力2750人；榆树沟云河右岸防御由毅军负责，总兵马玉昆率步兵5营，山炮6门，兵力2500人；苇子沟云河右岸由毅军负责，另一位总兵宋得胜率步兵4营，山炮6门，兵力2000人；鸭绿江右岸及沙河两岸的防御由盛军负责，总兵吕本元，孙显寅率步兵12营1哨，马兵5营2哨，野战炮22门，机关炮4门，兵力达6300余人；苇子沟附近由宋庆的亲兵防御，约400余人。右翼部队合计兵力18700人，各式火炮77门。
依克唐阿
左翼指挥依克唐阿也作出了布置，安平河口至蒲石河口的防御由练军和倭恒额部队共4营，马队2营，野战炮4门，兵力1500余人；东阳河口、苏甸河口、长甸河口由依克唐阿的负责，率领步兵4营，马兵9营，野战炮4门，兵力4000余人。左翼部队合计兵力5500人，各式火炮8门。清军在鸭绿江两路防线兵力总计23750，各式火炮85门。此外还部署了一部分兵力在鸭绿江防线后方，担任增援部队。
强渡安平河口
而日军方面，大本营在平壤战后决定将战火烧向清朝本土，因此制定了两路人马同时进攻辽东的作战计划。由山县有朋的第一军团从朝鲜越过鸭绿江防御薄弱的辽东北部，分散和牵制集结在鸭绿江一线的清军主力。大山岩的第二军团则在第一军团的援助下登陆大连湾占领金州，切断清军的南北防御链并攻取旅顺口。在得知大东沟海战胜利并取得制海权后，日军的补给可以通过海运进行，这大大提高了日军的机动作战能力（海运的物资远比陆运要快）。10月17日，日军的先锋部队—大岛义昌的混合旅团占领了义州，10月24日，日本第一军团抵达鸭绿江与清军隔河对峙。同时日军已经拟定作战方案，首先派兵在江面假设一座临时军桥过河，过河后设立两个炮兵阵地，配置臼炮6门和野战炮4门，用以压制清军火力，其后工兵才修建真正的浮桥让大军渡江。
强渡安平河
10月24日上午11：30分，日军2个步兵大队和1个炮兵小队在水口镇强行渡江，而对岸的清军也不是吃素的，他们在看见日军后便也做好了战斗准备，发现日军下水后马上便向日军猛烈射击，对岸的日军炮兵马上开炮压制清军的火力。在日军如下雨般的榴弹和榴霰弹的轰击下，清军被完全压制并开始撤退，下午1时日军渡河成功并开始建设浮桥，而登陆的日军刚想推进就遭到200名清朝骑兵的突袭，双方激战一轮，清骑兵不敌向虎山方向撤退，日军顺势攻占了清军阵地。24日下午18时，日军工兵完成第一条浮桥的架设。20时，日军完成了第二条浮桥的架设。大量日军开始渡河登陆清国本土。
10月25日清晨6时40分，渡河后的日军第二大队开始集结，并向虎山鞍部的清军阵地进发。日军炮队不久后便占据了一个有利的地形向鞍部的清军阵地开炮轰击，镇守虎山鞍部阵地的是记名总兵马金叙（率领步兵3营和2门火炮），他见状马上指挥炮兵向日军炮兵阵地设计，并且成功压制了敌军的火力，同时马金叙又向麾下士兵喊道: “今日之战，关系甚大，虎山存亡，悉赖尔等，须勠力同心，以御敌人”，士兵们纷纷响应愿死战力保阵地不失。因此在马金叙的指挥下，清军成功顶住了日军数次的攻势，到了上午7时30分，成功过江的日军第一大队开始向清军阵地的侧翼进行包抄，清军依旧拼死抵抗，但减员开始严重，时间接近上午8时，马金叙明白鞍部阵地已经无法继续固守，在部下的劝谏下只有放弃阵地向聂军的所在地撤退。
宋庆得知虎山发生激烈战斗，马上组织部队向虎山增援，8时20分，聂士成率聂军，马玉昆、宋得胜率毅军，刘盛休率铭军合计6000人增援虎山。同时在高地的清军炮兵开始向虎山鞍部日军刚占领的阵地开炮轰击。到了8时40分，双方战斗进入了白热化，清军方面宋得胜和马玉昆率领的毅军在铭军4门野战炮的掩护下向占领虎山鞍部的日军发起冲击，在清军拼命的攻势下，日军开始不支。上午9时，第三师团团长桂太郎率日军援兵赶到，并开始对清军进行反攻。日军向清军阵地发动了4次冲锋均被清军击退，而且清军的炮兵一路保持着压制日军的势头。为了化解日军的颓势，日军开始进行迂回战术，同时日军部队已经全数渡江完毕，开始加大进攻力度。清军在日军的优势兵力下开始不支，但仍坚持战斗，特别是马玉昆统率的毅军最为英勇。可惜清军的英勇并不能换来实质上的胜利，在日军的火炮和猛烈冲锋下，清军不敌开始向栗子园和云河方向撤退。到了中午12时，日军先后占领了马沟高地、苇子沟高地和榆树沟高地。这时清军方面，宋庆明白虎山已经守不住了于是下令撤退，唯独马金叙仍然率军死战，誓与虎山共存亡，此时他身上的伤已经多达数十处，其下属不忍劝道：“公虽勇敢，其与寡不敌众何?与其同归于尽，不如留此身以图恢复。且援兵不至，非公之罪也”（将军虽然勇敢，与其因为寡不敌众而同归于尽，不如保留有用之身他日再战，况且问题是出在援兵身上并不是出在你身上）。在下属的反复劝说下，马金叙终于选择突围撤退，虎山之战结束。
日军进攻
虎山之役是日军和清军开战以来打得最激烈的一场战斗，此役日军消耗榴弹122发，榴霰弹372发，日军死伤149人。而清军方面，战死495人，其中333人是马玉昆麾下的毅军士兵，另外被俘15人，其中一人是芦榆防军的记名提督谭清远。时人评论：甲午之役，不乏奋勇敢战者，然悲壮惨死，尤以虎耳山最著。连日本人在后来的教科书中也有提及此场战役。由于日本过江部队大部分衣衫尽湿，因此指挥官下令允许明火烘干衣服，但由于入夜后明火太过显眼，同时日军在早上的大战击退清军后，便以为清军不敢来犯，警戒有些放松，结果半夜遭到清军九连城北方上上清军炮兵的连续轰击，伤亡数十人。
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