李舜臣战死露梁海，柳成龙对质朝鲜王
直到加藤清正几乎全部从蔚山撤走，明军才真正确认日军正在撤军，邢玠及万世德当即下令联军立刻发起总攻，麻贵进占蔚山并向釜山逼近，董一元及刘綎、权栗开始则对泗川和顺天倭城大举进攻。万历二十六年十一月十一日清晨，驻顺天的小西行长第二军一面阻击明军攻势，一面开始陆续登船待发。
先遣队行驶至光阳湾口猫岛附近时遭到朝明联合水军拦截。小西行长为了突破拦截编组冲锋船队连日发起进攻均未能成功，便向周围日军送信求援。宗义智忙问：“现在各队都在想着尽快回归各自领国，且自顾不暇，如果无人来救，我们应当怎么办？”
小西行长说道：“不要说这么丧气的话，我已向上帝发过祷告，我们不会死在这里的，即便是加藤清正收到我的求援也会奋力来救，不然他该怎么羞辱我？更何况我与其他人并无宿怨，当次危急时刻自当相互救助。而且我也向黑田如水大人发出求援，他一定会严令附近的船只来救我们的。若真是无人来救，那就只能靠我们自己，若真是死在这里，我小西行长即便是化作海鬼也不会放过他们！”
黑田如水接到小西行长的求援信后，心知不妙：“明军的反应很快，意欲拦截我们撤离，绝不能让小西行长孤军奋战，必须要尽可能带回所有的军士。集中军力突破防线，营救小西行长。”黑田如水便令胁坂安治领水军，并与岛津义弘、立花宗茂、小早川秀包、高桥统增、寺泽广高等部联合共同前往救小西行长。依据黑田如水之令，日本水军准备于十八日夜乘月色通过露梁海峡，突入光阳湾解救小西行长，船队舰船五百艘，兵力万余。
联军得知战报，陈璘、邓子龙、李舜臣三人便立即召开军议，李舜臣分析：“露梁及其周边海域有两大特点，其一为水路复杂，岛屿星罗棋布，水道纵横交错，便于水军依托岛岸隐蔽机动。其二为潮水涨落，涨潮时水势汹涌，落潮时极易使船只搁浅。在露梁海域只要善用这些特点便将有利于我联军作战。”
邓子龙报称：“我们的水军有兵力一万三千人，战船五百艘，福船、楼船、沙船、苍船、海舫、叭喇虎等种类繁多，主要战船配备四门前装大发熕、四十门佛郎机及碗口铳、七十支鸟铳、喷筒五百、火箭两千、其余如标枪、钩镰枪、过船钉枪及水雷更是不计其数，加上朝鲜水军助阵，对阵敌寇毫无压力。”
陈璘下令：“既如此我联军战法如下，此前我联军水军主力已由古今岛向前推进，前出至左水营、猡老岛以东海面，在左水营建立基地指挥联合作战。一部兵力已占领猫岛加强防御，光阳湾被我封锁，露梁津在我们控制之内，已完全截断倭军退路。一部兵力正在露梁及以东海域巡逻，监视倭军动向。现调整部署，副将邓子龙领兵一千率三艘巨舰为先锋，埋伏于露梁海北侧，待倭船通过露梁海峡之后，迂回其侧后切断归路。李舜臣领朝鲜水军为右路，埋伏于露梁海南侧观音浦，伺机与我夹击倭船。我自领大明水军主力于竹岛及水门洞港湾内正面阻击倭船。两位务必看准时机，不可贻误战机致使倭寇撤离，如无异议，立刻准备。”
十八日清晨，李舜臣召集朝鲜水军誓师：“倭寇现在打算离开这片土地，之前未经我们的允许便肆意侵入我们的国土，蹂躏我们的家乡，残害我们的父母子女，兄弟姐妹。所以我无法让倭寇就这样安然离去，怎么能就这样看着仇人安然跨海回国而不顾，我们要让他们看到蹂躏我们家乡的代价有多惨痛！要让侵略我们家乡的倭寇再也无法返回故乡！要使倭寇全部水葬在波涛之内！”水军官兵因而斗志昂扬。
十九日丑时日本水军战船五百艘西上进入露梁海域，日军船队前锋遭遇暗伏水雷，接连巨响，日军受到震慑。陈璘见状便令船队速射火炮进行阻击，胁坂安治见前有阻击，黑夜之中不知对方船只多少，不敢力战以免陷入重围耽误解救小西行长便令船队调头南下。行至观音浦附近，又遭李舜臣所率朝鲜水军伏击，胁坂安治急令船队再向北行进。北岸邓子龙趁机出击，联军借此将日军三面合围，日军与联军展开露梁大战。
胁坂安治大叫：“真是难以置信，怎么躲都躲不开，最终还是陷入了包围！本不想陷入大战，现在是不得不战了！小西行长！真是个麻烦的家伙！传令全军迎战，杀光所有敌人！救出二番队！”岛津义弘见状说道：“看来明军和朝鲜是早已知我军路线，提前设伏，早有准备，事到如今也别无他法，只能力战，争取时间救出小西行长再撤。传令立花宗茂，趁我军激战吸引明军陆续来攻时，小西行长那边的防线应会大幅减弱，择机率部前往救出二番队后报信，我们再行撤离，在撤离之前我们必须先打开缺口。”
李舜臣亦高喊道：“平定倭乱在此一举，切勿放走倭寇一兵一卒，谨记我等誓言，必水葬倭寇全军，为死去的父老、兄弟及子女报仇雪恨！拿出你们的勇气，释放你们的仇恨，今日我们与倭寇非敌死便是我亡，全军出击！”
两军突发，左右掩击，炮鼓齐鸣，矢石交下，柴火乱投，杀喊之声山海同撼。倭船大半起燃，日军殊死血战，势不能支，再度退入观音浦，天已半明。明军先是前装大发熕及弗朗机向日军开火，接近之后使用碗口