八月十五日，杨元在东门鸣锣，城中一片寂静，他派家丁对城下日军大声喊话。5个日本兵前往东门石桥外跪请听令，杨元下令向日军传话谈判，日军汇报后带使节前往访岩峰，小西行长馈赠了明军家丁一些粮饷，将他们送回南原城，日军使节来见杨元，使者说小西行长称可以打开包围圈放明军出城，杨元说没有上级命令不能弃城，拒绝了日军，日军使节出城后再次建议杨元退兵，杨元再次拒绝。
与此同时，日军割取城外杂草水稻，捆在一起准备填充城壕，傍晚，日军再次进攻南原城，但是被南原城守军用火炮、弓箭杀退。此时明军游击陈愚衷领兵2000驻守全州，南原城的守军苦苦盼望援军到来。先前，杨元连夜派人向驻守全州的陈愚衷求救，但陈愚衷派人回信 说，“恐顾彼失此也”，“非不欲救，信地难以轻离”，始终不肯出兵救援 南原城。受此打击，南原城守军的军心更加动摇了。
日军不死心，再次催促杨元让出南原城撤离，杨元也知道无力回天，有了弃守此城的想法。城中之人非常恐惧，哭声如雷。
晚上，日军发起了总攻， 南原城外喊声大作。日军一边搬运草束， 用来填平南原城外的护城河；一边放铁炮攻击南原城，掩护搬运草束的 部队。日军的火绳枪弹丸犹如雨点一样不断落下，南原城里的守军一开始 还稍稍放炮、投石抵御，但没多久就士气崩溃， 一两个小时后，日军已经将南原城的护城河填平了，又在南原城外的羊马墙堆积草束，顷刻间便堆得与南原城一样高，于是日军大部队踊跃登城。负责守南原城南门外羊马墙的朝鲜将领金孝义见大势已去，逃入城内， 结果城头上空无一人，只有城内处处火起。
二更时分，日军攻破南门突入城内，明军退到北门准备突围，日军放开北门，埋伏在两旁，乱砍乱斫，明军几乎全军覆没，杨元率家丁从西门逃脱，守在这里的小西行长等各部日军让开道路放了杨元逃走。有人认为这是小西行长自己想放走的杨元，然而西门的日军不仅有小西，这种事如果不是丰臣秀吉事先开口，仅凭小西一个人是做不到的，至于猴子为什么把最大的战功杨元要完整让路给送走，理由很简单，为了避免刺激万历皇帝发狂，但凡有自信敢砍杨元根本不至于三番五次叫杨元撤走然后打到最后让条路出来，因为猴子知道打不过，所以才各种留余地方便事后和谈。
杨元从西门逃走以后， 北门外的以岛津义弘等人率领13200名日军士兵重重围困住了想要逃走的明军和朝鲜军。月色下，日军挥动长刀，对明 军、朝鲜军展开了屠杀。最后逃脱的明军、朝鲜军士兵，寥寥无几，除了北门，其它各门的明，朝联军也被屠杀。3000余明军只有170余人幸存逃走，其余全部战死，杨元的中军李新芳，千总蒋表、毛承先，以及朝鲜接伴 使郑期远、全罗道兵使李福男、南原府使任弦、防御使吴应井、助 防将金敬老、别将申浩、判官李德恢、求礼县监李元春、通官李春兰全部殉国，这是整场战争期间明军为数不多的惨败。
南原城内普通百姓也被日军屠杀，还有不少人被掳走，参与南原之战的日军军监太田一吉手下的庆念在《朝鲜日日记》中写道： 残酷的人世啊，男女老少都死了……昨天还没有想到自己会死，今日就化为烟云了。无常变迁，人世沧桑。谁见人之上，今日命将终。
令人感到诧异的是，据从南原逃出来的明军将领黄仲仁称，他看到围攻南原城的队伍里全是朝鲜叛民。虽然有所夸大，但是可以说明大量朝鲜伪军跟随日军做了帮凶。八月十七日，陈愚衷驻守的全州也爆发了大规模的骚 乱，城内百姓当晚哗变，或烧毁米仓，或打死、打伤守城门的明军，撞 开城门逃走。朴庆新也砍断门闩，趁乱逃出城去。全州满城灰烬，粮饷尽绝。陈愚衷最终主动率部弃城逃跑。
九月，日军攻破南原城的消息传到大明，万历皇帝大怒，下令将力主册封、坚持与日本议和的原兵部尚书石星下狱论罪，并将他的妻儿发配 到南方瘴气之地。在南原战败的杨元也逃脱不了被朝廷处置的命运。虽然杨元“死中得生，幸则大矣”，然而“中朝之法，败军则诛”。次年五月，杨元因战败被斩首示众，首级被传视于朝鲜。虽然南原之战的确是明军寡不敌众，但是杨元在工事构筑，战术运用上也有失误，表现还不如晋州之战的朝鲜守军。
