600余艘战舰分为两队，分别向小西行长驻守的顺天倭城和宇都宫国纲守卫的入海口发起进攻。日军利用海中的木栅和联军相持，并且用火绳枪不断射击，联军用舰载火炮和弓箭和日军对射，双方铳炮声，喊杀声此起彼伏，如同雷鸣，不绝于耳。联军反复交替射击，最终成功拔除了距离顺天倭城十几米远的海中栅木。
双方厮杀至三更，熟悉这里水文的李舜臣建议陈璘撤军，潮水即将褪去，撤的晚容易搁浅，但是陈璘认为有陆军辅助，今夜就可以拿下顺天，于是拒绝了李舜臣，下令继续进攻，明军用舰载火炮狂轰滥炸，甚至有三颗炮弹击中了顺天内郭本丸的天守阁（小西行长所在的日军指挥中心），将其击毁，差点给小西搞了个斩首行动，日军人心惶惶，仓皇失措，防守城西的兵力也被抽调往城东进发，城西防守空虚，一些被掳朝鲜人趁机跑上城头召唤陆军趁机进攻，一起夹击，刘綎仍然按兵不动。水军最终因为兵力不足，顺着潮水撤退。但是其中二三十条船搁浅在沙滩上，动弹不得。
发现明军船只搁浅的宇都宫国纲的部下，十分警戒，误以为是明军故意示弱诱敌，不敢靠近。见众人迟疑，宇都宫的部将小山左马助跑到浅滩上接近明军船只， 顺着一张网爬到一艘船上，并杀死了一个明军士兵。另一个宇都宫部将随后也登上了这艘战船，趁机斩杀明军。明军在夜色下误认为是日军大部队来攻，纷纷逃窜。日军见状这才相信明军战船是意外搁浅，诸将纷纷派兵出城，穿越滩涂围攻明军搁浅船只，船上的明军士兵拼死反抗，用刀剑长枪弓箭反击，杀死了很多日军，但是尽管如此，明军因为敌众我寡，又陷在泥滩中，成了日军火绳枪的活靶子，这些明军阵亡大半，23艘船只被鬼子烧毁，一同被围的朝鲜大船用弓箭射击，掩护明军，最终联军将日军击退，虽然兵力劣势的明军给日军造成了数倍于己的损失，但是他们也只剩下了140余人，其余五六百人全部殉国，幸存者各个盔甲上沾满了鲜血，甚至兵器都卷了刃，如此不利的情况下，他们还当阵擒获了4个日军士兵。
十月四日早上，明朝水军的后继部队乘早潮来援，前一晚失利的水军残部终于得救，陈璘十分愤怒，再次进攻顺天港口，日军搬出火炮在岸边和联军对射，刘綎仍然按兵不动，联军水师只能撤退，愤怒的陈璘埋怨刘綎违约，冲到刘綎的阵营中，将“帅”字旗一把撕裂，痛骂他没有良心，声称要弹劾他，刘綎自知理亏， 捶打胸口，装出一副悲痛的样子，把责任推到其他将官身上去。
当天，日军在城西重新修补被打破的西门，供骑兵出入。
五日，一队骑马武士从新筑的西门出城，抵近明军营地象征性放了几枪后迅速撤退，随后立刻向庆尚道方向逃去，打算向泗川倭城的岛津军传递情报求援。
当晚岛津军在泗川倭城以南12公里的权官堡升起狼烟，表示已经收到小西行长的求救信息。小西行长作为回应，也在顺天倭城的三层楼阁上升起烽火，表示收到消息。
七日，刘綎收到中路董一元在泗川战败的消息，担心日军援军来到，决定退兵，下令朝鲜都元帅权栗撤兵，又让朝鲜的陪臣、接伴使、元帅先后撤兵，紧接着焚烧营寨，将一些军粮丢弃，退兵至富有县，副总兵吴广屯兵于顺天旧城，副总兵曹希彬与 游击王之翰、司懋官、牛伯英，以及朝鲜全罗道防御使元慎屯兵于顺天 旧城外2公里的地方，傅游击和朝鲜忠清道兵使李时言屯兵于求礼。
当天，陈璘打算再次进攻，发现陆军撤退后，破口大骂。他愤怒地吼道：“就是不攻城，每战杀数百鬼子，早晚有一天也能杀光。”
八日，联军水师再次攻打顺天倭城，发射炮弹和箭簇，如同冰雹，日军用火绳枪反击，但是此时双方都没了战意，最终联军撤退，第二天退到海岸亭。
十日，从泗川之战回过神来的岛津义弘和立花宗茂、宗义智、寺泽正成出兵抵达顺天，但是联军早就撤退，日军于是撤兵回营。
尽管联军撤退，但是日军本身也付出了不小的损失，受到了惊吓，好几天不敢出城。明军陆军虽然退兵，但是各营也每天派遣百余骑兵，在顺天倭城外进行侦察。有一次，日军企图利用兵力优势偷袭这些明军侦察兵，但是后方的明军伏兵突然杀出，日军不敢迎战，仓皇逃窜，撤回城内不敢出战。
明军监军王士琦阻止刘綎撤军，命令他再次抵近顺天，刘綎迫于压力只能照做。 十六日，刘綎率领大军在顺天倭城外进行侦察，但没有攻城，只是做个面子工程。
有人可能要问了，刘綎不是号称西南第一猛将吗，外号刘大刀的他为嘛在朝鲜就变了模样，坑队友？
实际上，顺天之战明军水陆两军配合本身就有问题，陈璘的水军主要进攻顺天次郭，内郭之间的港口，一旦成功，可以直接登陆攻击内郭，而刘綎的陆军必须要攻陷外郭和次郭才能抵达内郭，按陈璘的计划，刘綎的陆军就是辅助的，要付出极大的伤亡吸引，消灭日军主力，而且战功还不如直扑内郭小西等人本阵的水军，涨潮情况下利于水军进攻，但是不利于陆军机动。陈璘只想到了自己水军最大的利益，虽然进攻次郭内郭之间港口可以把日军分割在外郭和内郭，但是无视了陆军的利益，引起了刘綎的不满，所以干脆按兵不动，坐看水军独战日军。更何况，刘綎部明军并未有大型火器，只能临时建造防牌、飞楼、云梯等攻城器械，陈璘虽然拥有火炮，但缺任由陆军临时制造冷兵器时代的旧式攻城器械的掩护下艰难仰攻，并未曾见有支援陆军部分火炮的迹象，而所攻击范围仅限于内郭和次郭之间。此处经过多方测距，水军阵线位置大约距离陆军的攻击距离1~2里，明军水陆两军明显毫无配合意图。水军不肯支援陆军攻城火炮，陆军也不愿作为水军的附属力量去牵制日军守城方。如果水军若能支援数门火炮以便陆军能够有手段压制日军外郭火力点，至少战局会明朗很多。
可惜，历史没有如果，明军这次南下攻坚战全部失利，很多居心叵测的脑残用这些抹黑明军，但是，我多次说过，朝鲜南部的地形对明军本身就极端不利，而且这里远远超过了明军后勤极限，朝鲜人各种坑爹骚操作不断，拖后腿。明军重火力运不过来只能轻装上阵，完全可以说明军在朝鲜南部作战，就是砍了两条腿剁了一只手还绑着半只手在打的，种种限制让明军根本难以发挥，而且这些地方本身就已经是朝鲜半岛最南部沿海地区，日军已经无路可退，再退就只能退回本土，总体上看，明军基本上永远处于攻势阶段，日军无非就是龟缩在城里当王八，趁着明军自己操作失误，走了狗屎运才扳回一局，即使这样作为守城方的日军仍然付出了比攻城方更大的损失。而攻坚战本身就很难打，攻城部队兵力往往应该远大于守城方（但是也远远不会像南原之战那样双方兵力太过于悬殊），即使这样进攻失利也是很正常的，损失远大于守城方也不是怪事，攻坚战失败并不能说明战斗力弱。相比之下，日军几乎占尽优势仍然被限于各种条件难以发挥实力的明军突没了一大堆要塞，到底谁更丢人，一目了然。
十月十五日，德川家康等五大老担心明军再次大举南下，对日军造成严重威胁，联名写了一封信，寄给在朝日军诸将，下达了撤军指令，这次倭国是真的无条件撤军了。
