在佐籐十聯隊向水口鎮出發的同時，山縣有朋在統軍亭上，對進攻虎山的兵力進行了分配部署。桂太郎中將率第三師團主力渡鴨綠江進攻虎山正面，大迫尚敏率第五旅團為右翼，渡鴨綠江，攀虎山東方高阜攻之，立見尚文率第十旅團為左翼，繞攻虎山左路。黑田久孝的炮兵負責掩護部隊渡江，以野炮及臼炮設置於義州高地，矢吹秀一則負責監督工兵架設浮橋。
架設浮橋的任務，由馬場正雄少佐的工兵第五大隊承擔，使用扁底船十搜，並收集木材，以造橋柱和橋桁。十七日夜，日本工兵先架義州城下第一江的浮橋，隨後，又在富田春壁的步兵大隊掩護下，開始架設第二江的浮橋。
第二江寬達一百五十米，需先攜帶繩索游過江面。此時已是十月中旬，朔風凜冽，鴨綠江氣溫只有一左右，水面隱約可見薄冰，工兵凍死凍傷數人才將繫繩任務完成，天明之前，第二江的浮橋假設完畢。
山縣本來計劃，凌晨四時以前，浮橋便要在義州西北合適的地方架設完畢，第三師團於四時三十分開始渡江，向虎山前行。可是由於架橋工作不太順利，推遲了大約一個半小時。
桂太郎率第三師團不待浮橋假好，便開始渡江準備，師團主力列陣於虎山清軍陣地正面；大迫尚敏率第五旅團佔領虎山東面的高地；立見尚文率第十旅團先佔領了中江台之稅關局，然後也渡江至虎山西面。這樣，虎山便處於日軍的三面包圍之下。
虎山位於璦河與鴨綠江交會處，西隔璦河與九連城相望，南隔鴨綠江與統軍亭相對。山拔地百餘米，雖不甚高，但險絕峻絕，殆不可攀登，遠望之如孤立，山形似乳虎蹲伏，故名虎山或虎兒山，音拗而成「虎耳山」。
唐仁廉見安平河口失守，知大戰在即，召集諸將至其駐地大營商討戰守。虎山守將馬金敘知悉東路已潰，日人過江，翌日必有戰事，遂復唐仁廉，此會不與。這位勇猛善戰的守將，是安徽蒙城人，隸屬劉銘傳，為銘軍將領，積功為總兵。
在唐仁廉佈置防線時，馬金敘認為虎山界於江、河之間，勢極崇隆，實佔形勝，若先據此山，憑高臨下，便可奪敵勢而利守禦，自願率部守禦此山。
馬金敘不參會，唐仁廉亦不氣惱，派人宣慰鼓勁，並懇切的傳話：「鴨綠江之戰關係甚大，虎山存亡悉賴將軍，須戮力同心，以禦敵人。」
十七日晚間，唐仁廉重新部署兵力，令聶士成揀選精銳駐紮虎山邊；毅軍繼其後背，為遊兵策應；劉盛休在璦河西岸挑挖地溝，埋設旱雷，以防敵人從江對岸架橋偷渡，為了便於往來，還設法在璦河上搭造浮橋，以接應虎山駐軍。他本人則居中調，何路吃緊，即率同馬玉昆一軍應援。
這樣，清軍在鴨綠江防線的兵力便分為三路：「馬金敘四營守虎耳山為前鋒，聶士成四營守栗子園為接應，劉盛休所部銘軍營駐九連城，分守江岸，是為中路，依克唐阿所部分守寬甸、長甸各隘，堵安平河口，為東路；豐升阿等分守安東縣、大東溝、大孤山，為西路。
這般計劃，隨即被電傳至安東，隱蔽佈防的五色旗第一師師長鐘定國得知後，歎道：「清軍這般防禦，鎮邊軍、靖邊軍被配置於東陽河口、長甸河口，間遠隔地，不能參與戰鬥。不僅如此，西路的豐升阿軍五千餘人也都遠隔而不能參戰，甚至銘軍守禦九連城，亦不參戰。虎山清軍不過九千之數，江自康軍二千五百人，系新募之兵，尚未經過訓練，毫無戰鬥力可言。兵力分散，顧此失彼，此戰之敗局已定，非戰之罪，皆因此佈置！」
唐仁廉卻洋洋自得，自喻為佈置密實，軍心皆壯，各將有思奮之心，此戰大有可為。
十月十日，晨時曉霧浮江，清軍未能及時發現日軍的架橋和渡江活動。及至日軍先頭部隊通過浮橋登上岸後，清軍才開始發炮阻擊。
此時，日軍第三師團主力業已渡江完畢，遂用一百二十毫米加農炮向虎山守軍炮擊猛攻。馬金敘雖僅率四營獨守虎山，但頑強抵抗，毫無退卻之色。儘管日軍攻勢延綿，一浪接一浪，銳利勇猛。他仍指揮部下英勇還擊，黑田久孝麾下炮兵在江左岸，以榴霰彈覆蓋清軍，以援桂太郎攻勢。
隔江而望，晨霧漠漠與硝煙相混，但聞其中轟轟殷殷之響。這震耳的聲響，耀眼的火焰，刺鼻的硝煙，翻飛的塵土，四散的殘軀所構成的慘烈畫卷，實在壯烈而震撼人心。
交戰不久，日軍右翼在大迫尚敏指揮下，也全部通過浮橋，並搶佔了虎山東面的高地，從側面向清軍俯射。此時，駐守虎山邊的聶士成軍背腹受敵，他一面與馬金敘相與聯絡，一面奮勇抗敵。在猛烈炮火的掩護下，日軍右翼自虎山東方高崗中逼進，清軍據側面高丘，亦為大迫尚敏所炮擊。聶士成頓時陷入異常困難的境地。唐仁廉見馬金敘、聶世成兵單難支，形勢岌岌可危，立遣馬玉昆率毅軍步騎三千餘人支援。
毅軍深得宋慶意志，頑強敢戰，沿著璦河河道，拚命迎戰，兵勇皆鼓舞奮發，槍彈如雨，攻勢急迫。銘軍炮兵率野炮四門亦至，急擊日兵，日軍左翼洶洶，士氣受挫，馬玉昆趁勢發力，殺得日軍屍橫遍野，日軍陣地開始動搖，攻勢被抑制。
桂太郎見急切間，虎山不能奪，便派飛騎奉請司令部指導。山縣有朋當機立斷，即命立見尚文率第十旅團赴援。此時，立見正在中江台，已佔領稅關局，接到命令，觀察北方形勢，只見清軍軍旗翩翩於空中，疊次逼近友軍，趕忙以步兵第十二聯隊為先鋒，自率混成旅團兵赴援。
友安治延中佐（十二聯隊隊長）在虎山，富岡三造中佐（二十二聯隊隊長）在中江台，左右相應，轟擊清軍各翼。立見尚文冒著彈林炮雨，從虎山左側迂迴，出現在背後，猛衝清軍側面。
而在安平河口的佐籐，本想適時插到虎山背後，無奈沿途鳥道樵徑，一山連著一山，道路艱難，未能如願。
至此，日軍的進攻部隊已全部渡江。特別是立見旅團以生力軍出現，使日軍士氣大振。
唐仁廉急調劉盛休的銘軍赴援，可銘軍僅憑壘放炮，幾番令其接應，僅至璦河岸，未過河即止。馬玉昆等雖無後援，仍堅持戰鬥，以大炮數十尊排列橋左，背水殊死力戰，炮彈轟馳，聲震數十里，清軍傷亡鱗疊，猶相持不退。
但是，清軍在虎山一線，敵我眾寡懸殊，且被日軍分割，各自為戰，難以久持。唐仁廉無力回天，只得命令馬玉昆撤至璦河以西，聶士成所部僅數百人，兵力單薄，又被日軍反覆縱兵環攻，力不能支，亦跟隨毅軍退渡璦河西岸。只有馬金敘仍在堅持戰鬥，他誓與虎山共存亡，全身被彈十餘處，其親弟督戰而亡，先後打退了日軍三次衝鋒。
最終不支昏迷，被親兵架著，與殘部突圍而出，渡璦河西岸。
十日上午十時三十分，虎山落入日軍手中。
是役，銘軍潰西南，盛軍敗而北，毅軍營哨官傷者十六，能戰之哨所剩無幾。清軍戰死者五百餘人，其中僅毅軍即有三百近四百人，約占總陣亡人數的百分之七十。記名提督譚清遠被俘。日軍死傷二百四十九人，其中死百三十四人，傷一百一十五人，實為激烈。
日軍佔領虎山，山縣有朋將第一軍司令部移於虎山，暫住附近民房。野津道貫一同在此露營。桂太郎及其第三師團陳兵於九連城背後，在栗子園附近要地露營，大迫尚敏、立見尚文則露營於大圍子及南口。
山縣分析形勢，決定再接再厲，於明日清晨對九連城發動總攻，命令第三師團為右翼，立見旅團取中央，大島義昌（第九旅團）為左翼，明晨六時，全軍齊攻九連城。
日本軍營距九連城甚近，按軍中規定，夜間不許點火。可日軍人馬一日內皆涉水中，濕寒難耐，山縣體恤，命解其軍律，讓各部燃火，驅趕寒氣。於是，鴨綠江畔宛然如白晝，本來，這是清軍實行夜襲的好機會，可各營頭已然膽寒，不敢貿然，只以大炮頻射。
九連城在璦河流入鴨綠江的河口之西，城建於小丘上，璦河流過丘下，老龍頭和虎山聳立於城之東西，頗具形勢，故清軍以為根據地。虎山雖已失守，但從虎山至九連城須通過璦河。璦河自栗子園分為兩支流，一寬百丈，一寬七十餘丈，河深及馬腹，河底石滓水急，非常難渡。
可是清軍撤過璦河西岸立足未穩，未來得及設防。
十月十九日黎明，日軍各部整隊出發，三路日軍成扇面形逼近九連城。當時濃霧瀰漫，咫尺不辨，日軍不敢突進，只好向城內炮擊，但九連城毫無反應，只驚飛鳥雀無數。大島義昌覺得詭異，命令第十一聯隊攀牆入城，才發現城內已無清軍一兵一卒。原來，劉盛休已在夜間帶領銘軍棄城而遁，往安東逃竄。
山縣有朋進入九連城，以舊稅關局為第一軍司令部，野津道貫亦率第五師團駐城內。至此，轟烈的鴨綠江之戰，除安東一隅，全線崩潰。
在鴨綠江防之戰中，清軍不僅傷亡慘重，而且各種武器、彈藥及軍用物資也損失嚴重。據日方公佈的數字，日軍繳獲大炮七十四門、步槍四千四百支、炮彈三萬六百十顆、槍彈四百三十二萬零六百發、精米二千五百九十石、雜谷二千餘石，以及馬糧和其他雜物無數。
光緒皇帝以「強弱不敵」為借口，原諒了唐仁廉，著其以全局為念，擇地穩扎，相機待命。清朝開始通過英國隱秘聯絡日本，提出停戰交涉。
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