朝鲜水军则持续发射火炮轰击敌船，龟船尽出实施冲撞，打乱日军阵型。日军鸟铳齐发，飞丸如雨，声震海中，明军及朝鲜官兵中弹者无数，同样日军战船在联军炮火火箭袭击之下，船体破裂，甲板起火，阵型大乱，陷入混战之中。
联军前部已与日军之间展开接弦跳帮，短兵肉搏，岛津义弘亦拔刀奋战，岛津义弘的野太刀刀法迅猛，大有横扫千军之势，挥刀所过之处，必有两三士兵被其斩杀，势不可挡。日军惯于跳帮作战，但现处于不利战势，白刃战亦处于下风。
老将邓子龙年逾七十，欲得首功，率精兵二百跃上朝鲜战船奋勇冲杀，杀敌无数。邓子龙老当益壮，舞刀生风，数人合击竟不能挡，忽然联军向日军投射火器期间，误中邓子龙所乘船只，战船起火，邓子龙无处躲避，又不愿跳海求生，旋即被三艘日船包围，日军大批跃上该船，邓子龙刀被打落，徒手搏击，拳杀三人，身中两刀，随从护卫上前掩护，邓子龙后退数步，拾捡标枪百发百中，后再度操刀与敌搏杀，因敌众我寡邓子龙力战不支，战死阵中，日军争相割其首级。
战至中午，陈璘副将陈蚕、游击将军季金率部来援，联军左右两路各从南北向日军主力发起猛攻。日军部分战船燃起大火，日军跳水登岸又遭明军陆地截杀，朝鲜龟船分批沿岛袭掠，日军争相逃窜，小型倭船一击即沉，李舜臣所驾战船离敌过近，身边官兵中弹身亡者不少，李舜臣亲冒弹雨，擂鼓助威，于大战之中鼓舞士气，左右皆来相劝李舜臣不可亲身立于险地，连请李舜臣暂时躲避。
李舜臣喊道：“此战是与倭寇最后一战，必须不计伤亡代价全力以赴，你们与其在乎我的安危倒不如立刻投入到战斗中去，拼死阻拦倭寇回国！”左右再劝：“大人您肩负水军统领之责，一旦有失，全军指挥如何是好？”李舜臣言道：“倭寇虽仍顽抗但败局已定，我等只需全力歼敌即可，此时绝不能再有顾及自身安危之意，全军务必舍生忘死！我心中早已决心战死在今日，我意已决，休得再言！”
李舜臣终不幸胸口中弹，倒地不起，副将宋希立及其侄李莞前来察看，连连呼喊军医救治，李舜臣严令不可走漏消息。李舜臣叮嘱道：“战事正酣，不可宣称我已战死，否则军心必乱！掌我军旗代我发号施令，让全军知李舜臣尚在，务必全歼敌寇！”言毕李舜臣气绝身亡。宋希立及李莞嚎啕大哭，悲痛欲绝。但见战事未完，四周仍炮火连天，烟火大作，宋希立强忍悲痛，力劝李莞再次振作。
宋希立接过李舜臣大旗继续发号施令，日军死战苦撑，实则根本无心恋战，而因明军陆续来援，被拦截的小西行长第二番队得以被立花宗茂所部接应，终于突破防线向外海退去。立花宗茂向岛津义弘及胁坂安治传递信号，此时日军已打开撤退缺口，岛津义弘得信后，当即令人向胁坂安治旗舰示意，日军开始全速撤退。陈璘见日军已突破包围，再追无益便下令收兵。露梁一战激战将近一日，日本战船受损及击沉之数已达两百，阵亡三四千人，胁坂安治领剩余三百艘战船撤出战斗。
战后宋希立集结朝鲜水军为李舜臣举行风光大葬，并同时为邓子龙等阵亡将士祭奠。明朝水军统帅陈璘及朝鲜水军将领李亿祺等皆来拜祭。全军自投于地，抚膺大恸，连营痛哭。柩行所至，民皆设祭，挽车而哭，车不得进。朝廷追赠右议政，设祠宇纪念，号曰忠愍。
日军于海上向日本行驶之时，宗义智前来宽慰惊魂未定的岳父小西行长：“岳父大人，到了对马岛便现在小婿那里暂住几日吧，军中已经通告太阁殿下已死，如今终于能留得性命安全回国，也不用再担心太阁殿下的怒火，该是安心歇息的时候。”
小西行长说道：“你说的没错，是该安心歇息的时候。从一开始我们就反对在朝鲜开战，尝试了种种方法，暗示朝鲜君臣，战时谈判，蒙骗太阁，但没有一次成功，自己也几次身陷险境，一面在朝鲜苦战，一面又担心会被太阁殿下杀掉，现在虽然保住了性命，但结果仍然是一无所得，家族的财力军力都几乎所剩无几。但是你要记住，危机还没有结束，太阁殿下已死，少主年幼，家臣之间已有派系，相互敌视，丰臣家内部将有动荡，还有德川家康及各地名门谁不是各怀鬼胎，我们今后要防备的事情还有很多。”
露梁战后大部分日军已撤回国内，而朝鲜沿海各地尚有不少残留日军未能及时登船撤离，明军随即发动追击，陈璘扫荡熊方山、多大浦、南海锦山、乙山川等地试图偷渡的日军，肃清残敌。
领议政柳成龙在向朝鲜王李昖提交了辞职奏请之后，李昖深夜召柳成龙用膳对饮，李昖身着便服亲自为柳成龙斟酒，李昖称已经看过柳成龙的辞职奏折，不过他不会同意柳成龙的辞职。柳成龙表示此事他早已猜到，李昖说道：“那倒也是，领相很了解寡人。去者必返，郑澈也好伊斗寿也好李山海也好，不都离开过数次么，领相你也曾被罢免过几次，所以领相你也不必过于伤心。寡人是会想念你的，来日还会召你回来。”
柳成龙答到即使再有征召他也将不再回到朝廷，李昖故作神闲，埋怨这是要斩断与他的缘