短短几天，骁勇善战的岛津军连战连败，晋州被明军收复，望晋，永春，昆阳，泗川旧城这些要塞也相继被明军攻破并且焚毁，明军一路追亡逐北，士气高涨，攻陷泗川旧城后，明军又趁胜攻克了日军囤积粮草军需的重地东阳仓，纵火将其烧毁，大火足足烧了两天两夜，日军的物资毁于一旦。
眼见军粮军需被明军焚烧一空，悲愤交加的以凶悍好战著称的岛津军却不敢出击，只能眼睁睁的十分憋屈地龟缩在泗川倭城里看着自己的物资被明军肆意践踏。明军焚烧东阳仓后，继续追击，来到泗川倭城之下。面对董一元的中路大军，岛津义弘因为之前连战连败，不敢轻举妄动。
二十九日，明军召开军议，商讨对泗川倭城发动总攻。南兵游击茅国器认为，明军虽然连破数寨，但斩获不多，现在岛津军全部退守泗川倭城，必定竭力死守，明军并不太容易打下，而且周围的日军各寨可能会出兵救援泗川倭城；因此建议先攻打附近比较小的固城，以歼灭岛津军的援军，断绝外援，然后再进剿泗川倭城。董一元虽是老将，水平在线，但屡胜轻敌，拒绝了茅国器的建议，决定一鼓作气荡平泗川。
看着明军重重包围，岛津义弘自知不是对手，认为自己死期将近，于是挖了一个坑穴，像小孩子一样坐在里面，自嘲说这就是他的坟墓。
十月一日，中路军留下一支步兵留守泗川旧城，其余军队全部出动，攻向岛津义弘所在的泗川倭城。上午卯时，茅国器、叶邦荣、彭信古三 营的步兵担任先锋，直抵泗川倭城城下，攻打泗川城正门。郝三聘、师道立、马呈文、蓝芳威四营的骑兵分为左、右两翼，在泗川倭城外堵截。前面我多次说过朝鲜南部地形让明军重火力运不过来。中路军于是用了朝鲜人的木熕炮轰击倭城，这种火炮是木头做的，比较轻便，但是风险也比较大，木头不够结实或者稍微有点歪就会出故障。
面对大兵压境的明，朝联军， 岛津义弘登上泗川倭城的大门右楼督战，甚至亲自用火绳枪射击，岛津义弘的儿子岛津忠恒也赶来督战。明军毫无畏惧，直扑城下，对倭城“放火箭如雨”，又“列置大楯，厚三四寸，外以生牛皮张之。从其阴设台、悬大杠，击碎大门一扇、楼堞数处。步兵逼濠毁栅，争登，以挠钩将破堞，钩垂以牛皮紏为绳，又以长梯将登”。 岛津军在城头“以弓铳一时并发”，前锋的明军不断中箭、中弹倒在地上。岛津忠恒其中拿起弓和铁炮，不停地射杀，弓弦都被拉断了两次。除了正门，前门、后门和北门也都处于激战状态。前门“矢炮相挑”，北门遭到明军的剧烈攻击，岛津军频频发铳抵抗，打得非常吃力。由于发射铁炮的次数太多， 岛津军的铁炮甚至都变烫了，难以用手握住，即便用湿布裹住，也难以冷却下来。
巳时，明军已经用火炮轰开了大门，外栅也被捣毁多处，泗川倭城相对高度差只有10米，而当年高度差24米的蔚山倭城也仅仅6个小时就被明军攻破，此时的泗川日军实际上已经相当危急，明军先锋已经开始冲入缺口，准备把城内日军屠光。
但是天公不作美，眼看胜利在望，突然一声巨响，明军阵地木头炮炸膛了，紧接着附近的火药一起燃烧，火光冲天，周边的明军数千人被炸死，明军为此大惊，郝三聘、马呈文两支骑兵部队率先掉头逃走，引起了多米诺骨牌效应，彭信古、茅国器、叶邦荣、柴登科、祖承训、蓝芳威等部队，相继溃乱， 争相逃窜。彭信古部下几乎团灭，茅国器损兵数百，大多数都是因为意外操作失误死在了爆炸中，溃逃途中大批骑兵坠崖而死。
原本等死的岛津军也被吓了一跳，他们也没想到居然可以绝处逢生，岛津义弘立刻下令全军反击，可怜已杀入倭寨的明军部队，“入城者无噍类云”， 岛津忠恒本想从泗川倭城的正门出去追击明军，但是门内兵马堵塞，无法出去，只好从便门出去，岛津义弘自己则从水门出城。
岛津忠恒纵兵在前追击明军，岛津义弘指挥大军跟在后面，泗川倭城的岛津军几乎倾巢而出，城内兵力空虚。但是让日军想不到的是，原本已经败退的明军居然发起了绝地反击。明军游击茅国器统领的明军此时尚未退走，见泗川倭城空虚，便想趁机袭击城 内，直接打下岛津义弘的老巢，这些浙兵素有戚继光练兵的基础，战斗力惊人！不仅不屈不乱，居然还是“锐不可挡”，把群起追杀士气高涨的萨摩部队打得头破血流，再次丢盔弃甲逃蹿！日军对此记载：“敌军已败焉，欲乘胜以追北，则（浙兵）亦还向相战者，不可当，是以我之骑、步弃胄曳兵，退散走去者多矣！”
已经败退的残兵败将愣是一度把出城反击的日军精锐打的溃退，日军丢盔弃甲，岛津忠长、黑田家兵卫尉、野添带刀长、本田与兵卫尉陷入苦战，甚至差点战死。逼的岛津军不断投入兵力，才彻底击败这股明军。明军各部分别向三个方向逃走——昆阳、望晋山、泗川旧城，岛津军立即分兵追击。
