日方史料记载， 从右路迂回包抄的日军主将之一的小早川秀包队却在途中突然遭遇了一员名叫李大孤的明将率领的一万明朝援军的奇袭，陷入一片大乱。混战之中，先锋大将横山景义，家臣桂五左卫门、内海鬼之丞、波罗间乡左卫门、伽罗间弥兵卫、手岛狼之助、汤浅新右卫门、吉田太左卫门等纷纷战死，明军直扑到秀包马前。小早川秀包乃日本西国名将毛利元就之九子，虽年仅25岁，却已在四国、九州多立战功而享有武勇之名，此时亦亲自手持短枪，纵马与扑上来的明军恶战。激斗中，秀包一度被明军拉下马来，几乎被杀，幸亏家臣桂繁次、粟屋源兵卫、白井包俊、荒川善兵卫、井上五左卫门等拼死上前搭救，将秀包抢了回去。
然而，无论明国还是朝方史料中，均不见有明将“李大孤”的任何记载，而其所率突然从天而降的一万明朝援军，又显得过于离奇。明军在碧蹄馆总兵力才只有四五千人，所以这八成是日本人自己瞎编的。
但是，可以肯定的是，小早川秀包的确在碧蹄馆被明军重创，部下损失过半，主将小早川秀包负伤，二号头目（家老）横山景义阵亡，除此之外，麾下家臣将领还当场战死了桂五 左卫门、内海鬼之丞、伽罗间弥兵卫、手岛狼之助、汤浅新右卫门、吉 田太左卫门、波罗间乡左卫门等等，明军强悍的战斗力可见一斑，立花宗茂、高桥统增的 部队同样死伤惨重。算上此前的砺石岭之战，立花宗茂的家臣在这一天 战死了十时传右卫门、池边龙右卫门永晟、户次中务少辅镇林、安东善 右卫门常久、小野久八郎、小野喜八郎成幸、小串忠左卫门成重，高桥 统增的家臣战死了今村喜兵卫、井上平次、帆足左平、筑赖新介。立 花、高桥两家的士兵3000余人损失过半。其中十时连久，安东常久，小野成幸等人都是立花家战斗经验丰富的名将，由于明军的甲胄十分精良，日军亦相当被动。宇喜多秀家麾下有一个名叫国富源右卫门的大力武士，自称全日本最强大力士，在这场战斗中与明军一个普通士兵交锋时，用刀刃长三尺的太刀砍了对手的盔甲三次愣是都被反弹了回去，这货气得直骂娘，扔了刀冲上去扭打，很快就被明军按倒 在地压着打。虽然国富源右卫门拼命挣扎，但是好像被大石头压住一样无法动 弹。情急之下，他拔出佩带的短刀瞄准对方的腹部捅过去，但还是捅不 破对方的护甲。性命危急之时，他的队友趁乱补刀，这才终于杀死了对手，逃出生天，可以看出明军盔甲的防护力有多么变态。
尽管明军拼死搏斗，但终究因日军兵力众多，未能将日军击退。险 境之中，李如松与骁将数十人冲锋陷阵，在马上用弓箭射杀日军， 但“势不能支”，无法敌过兵力众多的日军。李如松亲自殿后，退往望客岘，但这时，一 名不知具体身份的金甲倭将，指挥士卒团团围住李如松，直逼如松本 人，情势非常危急。指挥使李有升拼死保护李如松，手刃数倭，但后被日军用钩子拉下马，惨遭肢解，周遭数十余名明军勇士也当阵战死。李有升是辽东铁岭卫人，勇武有名，常跟随在李如松身边作战，李 如松为他的战死感到伤心，下马痛哭。为保护李如松，李如松的兄弟李如梅、李如柏、李如梧和副总兵李 宁等人护卫在其身边，一同协力射击、砍杀日军。李如梅拉弓引弦瞄准 金甲倭，将其射下马，一箭毙命，周遭的日军士兵哭着拉着金甲倭的尸体撤退。日军见明军勇猛，不敢再急于冲突。
射落了金甲倭以后，李如松趁乱率领李如柏、张世爵等将冒死突围，杀死了许多日军，但因情况紧急，未能够割取对方 首级。混战中，副总兵李宁的左手被砍伤，铠甲叶片被日军铁炮射穿， 但没受重伤。此外，副总兵孙守廉也被砍伤了右臂。 激战至午时，明军经过拼死奋战，终于突破重围，向坡州方向撤退，此时杨元部赶到碧蹄馆与李如松部汇合，封堵住望客岘与高阳之间的隘口，无法阻挡日军向两翼迂回的李如松，用辎重填塞道路之后，放弃碧蹄馆退往坡州，结束了这次仓促进行的遭遇战。
李如松从碧蹄馆突围后，一路向北撤退，一些日军在后方追击，至 惠任岭时，明军援军突然出现在岭头，日军诸将顾虑到明军援军势大，停止继续追击，回到了王京。
此战，明军阵亡264人，伤49人，马死276匹，而李如松亲随家丁中素有勇名的李有升，也在此次战斗中牺牲。而日军方面并没有可靠记录自此作战中究竟损失多少，在其后退往南部沿海之后的统计中，碧蹄馆主要参战日方各部剩余兵力除毛利元康、吉川广家部之外，其余各部兵力分别为：小早川隆景部6600人（战前兵额8000人），小早川秀包部400人（名护屋出阵兵额1500人），立花宗茂部1133人，高桥统增部290人（战前两部兵额3000人），筑紫广门部330人（名护屋出阵兵额900人）。虽不能说日军损失完全出于碧蹄馆之役，但是也可其损失颇为惨重，碧蹄馆之后未有参与其他战斗的立花部实际减员过半，其损失远大于明军。
在为数不多的明军进逼下，汉城日军被迫打了一场倾巢而出的前哨战，虽然通过地形和兵力优势，在碧蹄馆之战中逼迫明军率先撤离，但是此战中暴露出来的问题——哪怕明军地形极端不利，且在自己兵力占有五倍数量优势的情况下，依旧是损失惨重而且无法给对方带来较大损失，也就是说，日军即便在有兵力和地形双重优势的情况下，也很难在野战中与明军抗衡。从战后日军没有试图北上反击可以看出，此战实际上加深了日军集中兵力确保汉城的倾向，此时日军已经被明军打怕了，但是从明军的后续脱离接触，以及前文所统计宋应昌自诉精锐士兵、及家丁数量不过九千余人也可以看出，明军实际上也拿不出第二支与碧蹄馆同等规模的精锐了。
