接到前方战报的李如松抵达惠阴岭，途中遇到退后的高彦伯部军官，得知交战双方情况，随即急奔碧蹄馆，中途落马受伤，随后换马抵达前线。由望客岘向南方向，穿过砺石岘的道路一共有三条，其中东部和中部两条是处于新院店丘陵及砺石岘狭谷中，最窄处宽度仅有20米左右，长度最短的一条也已经超过两公里，道路所经过的丘陵及山谷已被日军占据，而另一条穿越砺石岘的道路是从新院店丘陵西部绕过，直接抵达砺石岘的一处山坳。如使用这条道路，则只需穿过长约500米左右的隘口，便可穿越砺石岘山梁。以双方战前所处区域以及双方兵种态势，以及地形空间来看，李如松抵达之后兵分两翼的主攻方向和作战目的，应为直接打通西路隘口，避开日军占据有利地形的中部和东部丘陵地带，将部队投放至日军占据的砺石岭阵地后方。砺石岭后方至昌陵所处丘陵地带之间，为东西长约3.5~4公里，南北宽约0.8~1.8公里的小块平原地形，为不久前查大受部曾经进行过侦查活动的地方，此处地形明军较为了解熟悉，且适合骑兵发挥。若此明军突破西路隘口成功，则日军会处于被前后夹击，围困于砺石岘山梁的境地。即便将领及时退避，就其据守砺石岭所部位置而言，在其部队通往汉城的道路方向，侧翼依旧处于被明军以西击东的窘境。
李如松的这次作战计划，很明显对日军投入兵力估计不足，可见在审讯日军俘虏而得的十万日军，和对比朝鲜人所通报的不过万余之间，要更倾向于后者。即便日军实际兵力超出朝鲜人所通报的万余，然而除却汉城必要的守备力量，日方能在砺石岘投入的兵力必然有限，加之前日军在平壤和汉城一线的过度收缩，则更加深了明军对于朝鲜所提供的，日军兵力不足这份情报的倾向。然而日军的大规模收缩，其实更多是平壤战败之后，日军对于前线情报不明，军队溃败过快导致防线崩溃所致。加之明军通常以号称方式对外宣传己方兵力，以夸大军队规模作为威吓敌军的手段之一，这也使得日军在军情不明下对入朝明军数量过分高估，再鉴于各地军粮不足，因此做出收缩战线确保汉城的决定也不足为奇。由于双方基于情报不明的战前规划，使得明军一开始低估了日军兵力，因而在兵力处于绝对劣势，且地形明显不利的情况下，对日军进行了攻势作战。而日军则明显高估了明军兵力，砺石岘之战汉城守军几乎倾巢出动，在占据了有利地形的同时，对明军形成了绝对的兵力优势。因此当李如松决定对西部隘口进行突破的时候，仅该地布防兵力粟屋景雄、井上景贞两部，便有6000人之多。除却受到较大损失的立花宗茂部，新到日方援军各部约17000人。而与此同时，明军全军只有四千骑兵，新锐仅有李如松部一千亲兵家丁，其余各部三千骑兵，则在之前与立花宗茂部交战已有两、三个小时，体力必然已有相当损耗。
下山以后，小早川隆景改变阵形，把军队分布在不同地方。他将井 上五郎兵卫、粟屋四郎兵卫、裳悬弥左卫门、小早川隆景的本队、桂宫 内大辅布置在砺石岭与碧蹄馆之间的望客岘，作为中军；将小早川秀 包、毛利元康布置在望客岘东面的丘陵，作为右翼部队；而原先败退到 望客岘西面丘陵的立花宗茂、高桥统增，则待在原地配合小早川隆景的行动，作为左翼部队。如此一来， 日军从望客岘、西侧丘陵、东侧丘陵三个方向对退屯碧蹄馆的明军形成了包围。
战斗开始，李如松以本部多为将领亲随，战斗力最强，亲自领兵突击在砺石岭西部布防的粟屋景雄部三千人。明军先以神机箭覆盖射击，日军以火绳枪前出对射，明军乘势以骑兵冲锋，据《吉田物语》记载，有200多名明军骑兵上前突击粟屋四郎兵 卫右边的阵地，或对其放箭，或对其放铁炮（应指三眼铳），之后回旋 到左边，逐次增加生力军，反反复复对粟屋四郎兵卫的阵地进行回旋攻 击，粟屋景雄部日军很快抵挡不住明军攻势，退往砺石领山上。然而该处隘口两侧山丘延伸同样为碗状，明军前行之际，左侧翼则暴露在新院店丘陵及其砺石岭突出部，在此隘口右侧布防的井上景贞乘势从山上冲锋，袭击明军左翼。而趁这个机会，败退至砺石岭上的粟屋景雄也率军反扑，李如松部陷入数倍日军夹击之中。
明军仍然顽强作战，打得井上五郎兵卫非常被动，一些日军甚至开始向后逃窜。情急之下，井上五郎兵卫大声激励手 下士卒：“士之临战场也，以进死为荣，以退生为辱！汝等努力，慎勿 去此！” 尽管如此，井上五郎兵卫最终还是不敌明军败退。
两军酣战之际，小早川隆景使左翼的立花宗茂、高桥统增从望客岘左侧的 丘陵迂回到明军后方，右翼的小早川秀包、毛利元康等将从望客岘右侧 的丘陵迂回到明军后方，他自己则亲自率领本队人马从正面迎战明军， 霎时间对明军形成包围之势。陷入重围的明军，面临小早川隆景的包围，不得不拼死作战，以求 突围。但原本在砺石岭观战的日军预备队相继出动，从望客岘左右实行 夹击，将明军团团围住，使明军难以突破日军的包围圈。此时， 吉川广家、 石田三成、增田长盛、大谷吉继、加藤光泰等人相继率部投入战斗，宇喜多秀家部前锋户川达安也率军赶到砺石岭。
碧蹄馆之战，至此演变成了李如松率领的4000余名明军骑兵，对战由 小早川隆景、立花宗茂、吉川广家、石田三成、大谷吉继等人率领的数万日军的激烈会战。但明军在绝对的劣势之下，仍旧爆发出了巨大的战 斗力，与日军从巳时一直打到了午时，仍然不落下风。
