同時明水師提督還派遣戰船數百艘，分布於忠清左右道、全羅左右道、慶尚左右道，等重要海口嚴防倭軍。
9月11日，明備倭總兵再次包圍幕府第一軍左副將於蔚山都護府，兩軍互有勝負，但最後卻遭到幕府左近將監兼侍從：立花宗茂，的後續援軍趕來救援，先以千人夜襲明軍後，在以假營伏兵攻擊追來的明軍使其敗退。
10月初2日，幕府太政大臣於8月18日死於京都伏見城的消息傳至李氏朝鮮王國，讓前線的倭軍將領們士氣因而受挫，又接到五大老與五奉行的命令開始撤退，由幕府第一軍左副將首先下令乘船撤退。
隨後明備倭總兵讓明軍追擊幕府第一軍左副將，並火器優勢取得勝利。
10月11日，西路的明禦倭副總兵、東路的明備倭總兵，兩路明軍進展都比較順利，而中路的明中軍都督府左都督率兵3萬人攻打倭軍新起的泗川縣城寨時，由幕府第五軍下參議率7千兵力駐守。
由於明軍火炮營在布陣後，中軍都督府士兵皆是南直隸中都留守司附近駐軍，素不習戰，亦不太擅長火器，明軍火炮手先以大將軍炮、攻戎炮，等火炮打破泗川縣大門一扇、城垛數處。
之後又發各類火器，在點火時的有些火炮突然炸膛，並引起了大營火藥庫的連番爆炸，硝煙掩蓋半邊天，全軍上下頓時亂成一片。
這時幕府第五軍下參議一看明軍大營發生爆炸，隨即命令倭軍出擊，混亂中的明軍大亂，倭軍從前小門殺出，直衝中軍都督府明軍，導致中軍都督府各路衛所明軍皆被屠殺潰走，三千中軍都督府士兵，戰後止存五、六十人，是為〈泗川之戰〉。
11月17日，留守的各路倭軍無心戀戰，打算由蔚山都護府撤退，明軍分道進擊。
就在倭軍將領撤退之時，明水師提督：陳璘，派遣明水師左參將：鄧子龍，偕同李氏朝鮮三道水軍統製使：李舜臣，聯合出擊，在露梁海上截擊想援救幕府第二軍右副將：小西行長，的援軍幕府左近將監兼侍從：立花宗茂、幕府第五軍下參議：島津義弘、幕府從四位下築守：小早川秀包、幕府對馬守：宗義智、幕府肥前國名護屋城奉行兼誌摩守：寺澤廣高，等部倭將。
明水師左參將素來慷慨，所在立戰功，是時他已年過七十，但仍不減當年英勇，親率戰船三百艘為前鋒，追至釜山浦南海，並帶壯士三百人跳入李氏朝鮮龜船上，直前奮擊幕府第二軍倭寇，打得倭軍死傷無數。
但其他戰船卻因誤擲火器於主帥的戰船，使得主帥戰船起火，結果明水師左參將：鄧子龍，陣亡！
而李氏朝鮮三道水軍統製使：李舜臣，領兵來援，率船隊衝入敵陣，卻被倭軍包圍，不幸身中流彈血染盔甲犧牲，其餘明軍繼續戰鬥。
隨後明水師右參將：陳蠶、明鬆門衛遊擊將軍：季金、明廣海衛遊擊將軍：馬文煥，等將領率軍趕至前後夾擊，倭軍被打得豪無鬥誌隻想撤退，明軍又趁機焚其船隻。
倭軍則因為成功讓幕府第二軍右副將脫困而且戰且退，而得以逃脫登岸的倭軍後為幕府第二軍右副將救走。
部分倭軍僥幸逃脫者剛上岸，又為明軍步兵所攻擊，被火燒死以及溺水者萬計。
這時明禦倭副總兵進攻幕府第二軍右副將，並奪取倭軍橋寨，明水師提督則以船隊一同攻擊，再焚燒倭軍戰船數艘。
關鍵時刻幕府第二軍右副將部下，幕府第五軍下參議：島津義弘（鬼石曼子）帶領水師來援，卻被明軍水師給擊敗，其餘倭軍紛紛揚帆逃跑，僅有幕府左近將監兼侍從作為殿後，接應幕府第二軍右副將使其成功逃離李氏朝鮮王國。
此次釜山浦南海大戰，明軍總共擊沉倭軍船隻九百餘艘，殲滅幕府部分主力水師，史稱「露梁海戰」。
致使少量未逃脫明軍水師海上封鎖的，倭軍殘部退到至山島，12月初8日，倭軍殘部開始渡海藏匿乙山，岩深道險，明軍將士不能進入，明水師提督便派兵夜查，還圍攻崖洞。
至天亮後發現目標便發炮攻擊，倭軍又逃奔後山，與巡查明軍展開殊死奮戰，幾乎全部被屠殺殆儘，僅有數十位倭軍逃走，還被明水師提督領兵追擊，最終倭軍殘部無一人逃脫。
就這樣萬曆倭援朝戰爭至此結束，明軍入李氏朝鮮王國作戰，曆時七載，喪師數十萬，糜餉數百萬兩白銀，人力、物力損失巨大，但最終還是勝利的打敗了倭軍。