此日凌晨，日军水军分别抵达南海岛西北的小岛和竹岛南面之时，遭到埋伏在南海岛西北港湾的明朝水军和观音浦的朝鲜水军的南北夹击，战斗随之打响。
方发生激战。此战，亦为整个抗倭援朝战争——或者说文禄庆长之役——中发生在朝鲜的最后一战。
二十四日，毛利秀元、毛利吉成等自釜山回国，这一路似乎“运气极佳”，居然没有明军对他们发起进攻。
岛津军将领桦山久高所率的备队虽然成功突破露梁海峡，但自家备队也被联军水军分割开来。随后，因不明附近海域情况，误打误撞中冲入了朝军水军集结地的观音浦，战船也搁浅于海滩之上。
至此，出征朝鲜的日本大名已全数从朝鲜撤回日本，丰臣秀吉的征服朝鲜和大明的计划就此彻底终结，文禄庆长之役也就此落下帷幕。
夸张一点说，日本水军几乎已经可以除名了。至少，在大明——甚至于单单京华北洋舰队面前，日本水军也已经失去了抵抗之力。
战后，平倭舰队清点战果，上报高务实说：“捕获日本船百艘，击沉二百艘，击杀日军一千五百，俘虏四百八十余，日军溺死者无数”。[这里的日军舰队已经是会合了釜山港内舰队的。]
由于深受海贸同盟舰队形象的影响，日本方面一直认为明军单以炮术见长，因此日军也没料到这支明军水师会冲上来打近战，于是大意之下被明军突入的岛津军伤亡惨重。
桦山久高不得不弃船上岸，徒步横穿至南海岛东岸得以逃生。而主将岛津义弘所乘之船也因为潮汐的原因与船队脱离，被联军战船包围后，一时间几乎陷于绝境，在其他战船的奋死救援下才得以脱离险境。
日军前锋伤亡甚大，但由于天还没有大亮，火炮精确度严重降低的明、朝联军水军先锋也被日军击退至观音浦。
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二十三日，加藤清正、小早川秀秋等自釜山回国，但在他二人从岛山撤往釜山的途中遭到麻贵部的伏击，尤其是伏击之后李如梅部骑兵的冲阵给日军带来巨大伤亡，此战日军损失一万七千余人，不说彻底打残那也是伤筋动骨。
见自军先锋被击退，明军平倭舰队主力随后冲入岛津军本队所在之处，同日军展开了一场混战。
二十五日，小西行长、岛津义弘等回国，一路上虽然担心受怕，生怕遭到明军平倭舰队的拦截，但似乎也“运气极佳”，一路上都没碰到明军舰队，顺利回国。
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整场战役下来，日军陆军损失约四万人，而水军就更惨了，损失了七成还多、将近八成的战船，可谓是彻底被打断了嵴梁骨。
丰臣秀吉生前花费巨资从京华购入的三十余艘武装运输舰，以及根据“京华技术”新建的改进型安宅船，在这一战中几乎损失殆尽，日本水军旗舰“日本丸”号也被俘获。
在这最后一次蔚山之战——或者更应该称之为釜山(及周围)之战中，明、朝联军虽然没能达成战前的全部设想，但日军的损失仍然远高于其对手。
战况于日军极其不利，加之天色已渐渐明亮，拥有极大火炮优势的大明平倭舰队即将可以大展神威。见大势已定，日军不再考虑作战，遂拼命拉开距离，回师撤军。然而，为了撤军又不得不放弃部分一时难以脱战的战船，整体损失进一步加重。
不过，由于海战结束后明、朝联军水军见日军退却，自然全力追击，因而对沙下地区的海上封锁也就此解除。
这一次与历史上不同的是，明军副将邓子龙未曾牺牲，倒是朝军主将李舜臣在交战中挨了一发流弹，重伤不醒，不知道能否捡回一条命。
见海上封锁解除，小西军于十九日晨避开发生海战的地区，从沙下与釜山之间的地区经大迂回后，于二十日平安到达巨济岛。同样是二十日，南海岛残存的桦山久高收罗了大约五百人的岛津军后，亦平安撤退至巨济岛。西部方面日军撤退结束。