在佐藤十八联队向水口镇出发的同时，山县有朋在统军亭上，对进攻虎山的兵力进行了分配部署。桂太郎中将率第三师团主力渡鸭绿江进攻虎山正面，大迫尚敏率第五旅团为右翼，渡鸭绿江，攀虎山东方高阜攻之，立见尚文率第十旅团为左翼，绕攻虎山左路。黑田久孝的炮兵负责掩护部队渡江，以野炮及臼炮设置于义州高地，矢吹秀一则负责监督工兵架设浮桥。
架设浮桥的任务，由马场正雄少佐的工兵第五大队承担，使用扁底船十八搜，并收集木材，以造桥柱和桥桁。十七日夜，日本工兵先架义州城下第一江的浮桥，随后，又在富田春壁的步兵大队掩护下，开始架设第二江的浮桥。
第二江宽达一百五十米，需先携带绳索游过江面。此时已是十月中旬，朔风凛冽，鸭绿江气温只有一度左右，水面隐约可见薄冰，工兵冻死冻伤数人才将系绳任务完成，天明之前，第二江的浮桥假设完毕。
山县本来计划，凌晨四时以前，浮桥便要在义州西北合适的地方架设完毕，第三师团于四时三十分开始渡江，向虎山前行。可是由于架桥工作不太顺利，推迟了大约一个半小时。
桂太郎率第三师团不待浮桥假好，便开始渡江准备，师团主力列阵于虎山清军阵地正面；大迫尚敏率第五旅团占领虎山东面的高地；立见尚文率第十旅团先占领了中江台之税关局，然后也渡江至虎山西面。这样，虎山便处于日军的三面包围之下。
虎山位于瑷河与鸭绿江交会处，西隔瑷河与九连城相望，南隔鸭绿江与统军亭相对。山拔地百余米，虽不甚高，但险绝峻绝，殆不可攀登，远望之如孤立，山形似乳虎蹲伏，故名虎山或虎儿山，音拗而成“虎耳山”。
唐仁廉见安平河口失守，知大战在即，召集诸将至其驻地大营商讨战守。虎山守将马金叙知悉东路已溃，日人过江，翌日必有战事，遂复唐仁廉，此会不与。这位勇猛善战的守将，是安徽蒙城人，隶属刘铭传，为铭军将领，积功为总兵。
在唐仁廉布置防线时，马金叙认为虎山界于江、河之间，势极崇隆，实占形胜，若先据此山，凭高临下，便可夺敌势而利守御，自愿率部守御此山。
马金叙不参会，唐仁廉亦不气恼，派人宣慰鼓劲，并恳切的传话：“鸭绿江之战关系甚大，虎山存亡悉赖将军，须戮力同心，以御敌人。”
十七日晚间，唐仁廉重新部署兵力，令聂士成拣选精锐驻扎虎山边；毅军继其后背，为游兵策应；刘盛休在瑷河西岸挑挖地沟，埋设旱雷，以防敌人从江对岸架桥偷渡，为了便于往来，还设法在瑷河上搭造浮桥，以接应虎山驻军。他本人则居中调度，何路吃紧，即率同马玉昆一军应援。
这样，清军在鸭绿江防线的兵力便分为三路：“马金叙四营守虎耳山为前锋，聂士成四营守栗子园为接应，刘盛休所部铭军八营驻九连城，分守江岸，是为中路，依克唐阿所部分守宽甸、长甸各隘，堵安平河口，为东路；丰升阿等分守安东县、大东沟、大孤山，为西路。
这般计划，随即被电传至安东，隐蔽布防的五色旗第一师师长钟定国得知后，叹道：“清军这般防御，镇边军、靖边军被配置于东阳河口、长甸河口，间远隔地，不能参与战斗。不仅如此，西路的丰升阿军五千余人也都远隔而不能参战，甚至铭军守御九连城，亦不参战。虎山清军不过九千之数，江自康军二千五百人，系新募之兵，尚未经过训练，毫无战斗力可言。兵力分散，顾此失彼，此战之败局已定，非战之罪，皆因此布置！”
唐仁廉却洋洋自得，自喻为布置密实，军心皆壮，各将有思奋之心，此战大有可为。
十月十八日，晨时晓雾浮江，清军未能及时发现日军的架桥和渡江活动。及至日军先头部队通过浮桥登上岸后，清军才开始发炮阻击。
此时，日军第三师团主力业已渡江完毕，遂用一百二十毫米加农炮向虎山守军炮击猛攻。马金叙虽仅率四营独守虎山，但顽强抵抗，毫无退却之色。尽管日军攻势延绵，一浪接一浪，锐利勇猛。他仍指挥部下英勇还击，黑田久孝麾下炮兵在江左岸，以榴霰弹覆盖清军，以援桂太郎攻势。
隔江而望，晨雾漠漠与硝烟相混，但闻其中轰轰殷殷之响。这震耳的声响，耀眼的火焰，刺鼻的硝烟，翻飞的尘土，四散的残躯所构成的惨烈画卷，实在壮烈而震撼人心。
交战不久，日军右翼在大迫尚敏指挥下，也全部通过浮桥，并抢占了虎山东面的高地，从侧面向清军俯射。此时，驻守虎山边的聂士成军背腹受敌，他一面与马金叙相与联络，一面奋勇抗敌。在猛烈炮火的掩护下，日军右翼自虎山东方高岗中逼进，清军据侧面高丘，亦为大迫尚敏所炮击。聂士成顿时陷入异常困难的境地。唐仁廉见马金叙、聂世成兵单难支，形势岌岌可危，立遣马玉昆率毅军步骑三千余人支援。
毅军深得宋庆意志，顽强敢战，沿着瑷河河道，拚命迎战，兵勇皆鼓舞奋发，枪弹如雨，攻势急迫。铭军炮兵率野炮四门亦至，急击日兵，日军左翼汹汹，士气受挫，马玉昆趁势发力，杀得日军尸横遍野，日军阵地开始动摇，攻势被抑制。
桂太郎见急切间，虎山不能夺，便派飞骑奉请司令部指导。山县有朋当机立断，即命立见尚文率第十旅团赴援。此时，立见正在中江台，已占领税关局，接到命令，观察北方形势，只见清军军旗翩翩于空中，叠次逼近友军，赶忙以步兵第十二联队为先锋，自率混成旅团兵赴援。
友安治延中佐（十二联队队长）在虎山，富冈三造中佐（二十二联队队长）在中江台，左右相应，轰击清军各翼。立见尚文冒着弹林炮雨，从虎山左侧迂回，出现在背后，猛冲清军侧面。
而在安平河口的佐藤，本想适时插到虎山背后，无奈沿途鸟道樵径，一山连着一山，道路艰难，未能如愿。
至此，日军的进攻部队已全部渡江。特别是立见旅团以生力军出现，使日军士气大振。
唐仁廉急调刘盛休的铭军赴援，可铭军仅凭垒放炮，几番令其接应，仅至瑷河岸，未过河即止。马玉昆等虽无后援，仍坚持战斗，以大炮数十尊排列桥左，背水殊死力战，炮弹轰驰，声震数十里，清军伤亡鳞叠，犹相持不退。
但是，清军在虎山一线，敌我众寡悬殊，且被日军分割，各自为战，难以久持。唐仁廉无力回天，只得命令马玉昆撤至瑷河以西，聂士成所部仅数百人，兵力单薄，又被日军反复纵兵环攻，力不能支，亦跟随毅军退渡瑷河西岸。只有马金叙仍在坚持战斗，他誓与虎山共存亡，全身被弹十余处，其亲弟督战而亡，先后打退了日军三次冲锋。
最终不支昏迷，被亲兵架着，与残部突围而出，渡瑷河西岸。
十八日上午十时三十分，虎山落入日军手中。
是役，铭军溃西南，盛军败而北，毅军营哨官伤者十六，能战之哨所剩无几。清军战死者五百余人，其中仅毅军即有三百近四百人，约占总阵亡人数的百分之七十。记名提督谭清远被俘。日军死伤二百四十九人，其中死百三十四人，伤一百一十五人，实为激烈。
日军占领虎山，山县有朋将第一军司令部移于虎山，暂住附近民房。野津道贯一同在此露营。桂太郎及其第三师团陈兵于九连城背后，在栗子园附近要地露营，大迫尚敏、立见尚文则露营于大围子及南口。
山县分析形势，决定再接再厉，于明日清晨对九连城发动总攻，命令第三师团为右翼，立见旅团取中央，大岛义昌（第九旅团）为左翼，明晨六时，全军齐攻九连城。
日本军营距九连城甚近，按军中规定，夜间不许点火。可日军人马一日内皆涉水中，湿寒难耐，山县体恤，命解其军律，让各部燃火，驱赶寒气。于是，鸭绿江畔宛然如白昼，本来，这是清军实行夜袭的好机会，可各营头已然胆寒，不敢贸然，只以大炮频射。
九连城在瑷河流入鸭绿江的河口之西，城建于小丘上，瑷河流过丘下，老龙头和虎山耸立于城之东西，颇具形势，故清军以为根据地。虎山虽已失守，但从虎山至九连城须通过瑷河。瑷河自栗子园分为两支流，一宽百丈，一宽七十余丈，河深及马腹，河底石滓水急，非常难渡。
可是清军撤过瑷河西岸立足未稳，未来得及设防。
十月十九日黎明，日军各部整队出发，三路日军成扇面形逼近九连城。当时浓雾弥漫，咫尺不辨，日军不敢突进，只好向城内炮击，但九连城毫无反应，只惊飞鸟雀无数。大岛义昌觉得诡异，命令第十一联队攀墙入城，才发现城内已无清军一兵一卒。原来，刘盛休已在夜间带领铭军弃城而遁，往安东逃窜。
山县有朋进入九连城，以旧税关局为第一军司令部，野津道贯亦率第五师团驻城内。至此，轰烈的鸭绿江之战，除安东一隅，全线崩溃。
在鸭绿江防之战中，清军不仅伤亡惨重，而且各种武器、弹药及军用物资也损失严重。据日方公布的数字，日军缴获大炮七十四门、步枪四千四百支、炮弹三万六百八十颗、枪弹四百三十二万零六百发、精米二千五百九十石、杂谷二千余石，以及马粮和其他杂物无数。
光绪皇帝以“强弱不敌”为借口，原谅了唐仁廉，着其以全局为念，择地稳扎，相机待命。清朝开始通过英国隐秘联络日本，提出停战交涉。
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