明军用火炮，喷筒不断轰击日军，给日军造成了极大的死伤， 明军把总沈理乘坐巨舰亲自督战，游击季金也率领水军赶来救援。参战的明军将领中，还有后来在明清战争中和戚金一起殉国的陈策，明军兵力达到了6000余人。
明军奋勇杀敌，战场上火光冲天，焰同赤壁，喊杀声，惨叫声连成一片。日军死者不计其数，碎尸几乎漂满了这片海域，海水都被染成了血色，海面上漂浮着许多尸体、船板、兵器、衣服。时不时窜出一些被血腥味吸引到鲨鱼前来分一杯羹，大批鬼子成了鱼食。七家大名各个死伤惨重，尤其是以悍勇著名的岛津义弘的萨摩军死伤最大，号称西国无双的立花宗茂也损失过半。岛津义弘自己的御船也陷入苦战，甚至激战中明军逼近了岛津义弘本人的御船，几乎要登船攻击，岛津义弘自己的御马印甚至一度被明军抢走成为战利品。“御马印”是大名的身份标志，在战场上象征着他们本人，因此御马印被抢走可以说让岛津义弘丢尽了老脸。最后他部下的一个武士愣是跳到对方船上把御马印夺了回来。
虽然狗急跳墙的日军杀红了眼，可是仍然无法挽回败局，日军全线崩溃，开始逃散，陈璘率领联军紧追不舍，岛津家臣将领桦山久高、喜入忠政等人的船只被明军打破，船手死伤严重，无法退却，只能带上幸存的500日军， 漂泊到南海岛，逃到了岛上。明军烧毁了它们的船只。
风刮得很大，海峡开始退潮，日军普遍船小，大多数还可以通过露梁海峡逃走，但是岛津义弘的御船比较大，暂时难以通过，就这么掉了队。明军再次逼近了岛津义弘的御船，用铁钩钩住它，几乎要强行登船，船上的岛津军拼死反击，死伤甚多，难以行舟。岛津义弘此时的处境相当危险，很多岛津军拿着盾牌围了上来，保护岛津义弘不被远程武器攻击。家臣种子岛久时、川上忠兄、川上久智、新纳忠增、大田忠纲等人用火绳枪射击，明军不敢靠的太近，最终双方脱离了接触，虽然岛津义弘逃出生天，但是船上死伤惨重，船只插满了箭簇，如同刺猬。岛津军御众（仅次于岛津义弘的二号头目）町田久政等人乘船进攻联军，掩护岛津义弘撤退，但是很快，援军全军覆没。
此时，岛津忠恒也乘坐关船，率领麾下从昌善岛出发，向着露梁方向前进，以策应岛津义弘。路上遇到逃跑的残兵败将，得知前线战败的消息，岛津忠恒大惊失色，急忙去救援，至于遇上了狼狈不堪的岛津义弘，此时岛津军被打的只剩下4艘战舰，几乎全军覆没，岛津忠恒冲上去面对联军，给日军殿后，但是部下同样死伤惨重，直到巳时，他爹安全撤退后，岛津忠恒也率领残部逃离，撤回了昌善岛。露梁海战至此落下了帷幕。
露梁海战日军诸将中，岛津军损失最大，接近全军覆没，日方史料也有很多记载岛津军的损失，"岛津殿内众，能士数多，其时讨死""岛津之兵奋斗苦战死伤甚多""我舟舰多被烧沉，死伤颇众，义弘之旆为敌所获"《岛津世家》更列举了一大串战死的萨摩高级武士、家臣的名字，然后又说“其余至步卒等多死"、“死亡者多”。《岛津世禄记》也记载，“悲夫，我军死者，桂兵吉、町田源左门卫、伊集院治部左门卫。。。。。（一大堆死鬼名录），其外（战死）步卒等不记”。《町田家私记》说得更惨，此书是岛津家臣町田氏的私家史，提到大量日本战国时代的战事，关于露梁之战，篇幅不多，但就是这不多的篇幅，竟列出二十多名町田、伊集院等高级家臣武士战死者名字，但这仅仅是一部分，因为又加一个“等不可胜记”的后辍！在《町田氏系谱》中，记有大量日本所谓的“战国”时代的战争，关于那些众多的战斗，没有一役有露梁之战有如此多的家臣、武士战死。最有意思的是，在写完这些惨状后，家记又写道："（义弘）公乃仅才难还至唐岛"，结合上下文，等于在说岛津几乎被杀成光杆司令， 仅以身免了。 而岛津家史料更是记载露梁海战损失了104个家臣将领船长等重要人员，其中至少有37人是御供众，他们 属于高级武士。露梁海战期间，岛津军中的御供众，相当于岛津军领导 层中的第二层。这些阵亡人员，许多都与岛津氏关系密切。比如桂兵吉，他是岛津家庶流桂氏的原定继承人，但他却在露梁战死，未能成为桂氏的下任当主；町田久政，则出生于岛津家的一支旁系，他的哥哥町田久倍是岛津家家老之一，封地达2万石；伊集院治部左卫门，同样出自岛津一族。其他比较知名的家族，如北乡、 伊地知、相良，都出现了死者。也就是说，岛津家二号头目就至少损失了37人。
岛津义弘乘船被袭，苦战逃走后，经历激战的“步兵一人掉扁舟幸免来告（义弘）曰：‘众被焚破战舰虽死亡者多，幸免死者咸上南海岛’”逃往南海岛的这些人说的就是岛津军将领桦山久高等500人，岛津义弘此时却没有足够的兵力救援这500幸存者，可见岛津军损失有多么惨重，最后是在其他日军大名都主动愿意借船的情况下，岛津义弘这才有胆量去把那五百人拉回来。参与朝鲜战争的一万余岛津军都是岛津家的精锐，也是岛津义弘的嫡系部队，这些人在朝鲜几乎死光，岛津义弘从此在岛津家话语权下降。导致关原合战中仅剩1500人跟随他参战。
露梁海战，也是给南原和泗川牺牲的明军报了仇，这两次惨败都有岛津义弘的参与。今天，这些明军可以安息了。
除了岛津义弘，其他日军也没好到哪去，立花宗茂 、高桥统增、寺泽正成三家大名部下被杀过半，小早川秀秋，筑紫广门，宗义智也付出了很大的损失。后来在釜山投降的日军更是声称日军损失13000余。
明军此战斩首日军三百余级，俘虏180余人，其中还有两个高级将领，都是岛津义弘的麾下大将“平秀政”和“平正成”。前者还自称是岛津义弘族侄，丰臣秀吉养子。但是岛津家给出的名单里没有找到对的上号的，这俩人很可能都是岛津家的御供众。
至于联军，明军的损失主要就是邓子龙将军的船上130余明军，除此以外损失轻微，基本上不到200人，朝鲜军损失较大，但是联军损失加起来也不过五百余。远远少于日军。如果要不是友军操作失误烧了邓子龙的船只，明军损失还会更小。
说到这，大家可能会问，是不是少了什么？对，顺天的小西行长等人，它们没有按约定夹击吗？
当然，小西行长可不是傻逼，他们这帮老六趁着明朝、朝鲜水军与日本水军酣战之际，在露梁海战末尾阶段乘坐船只从顺天倭城出逃， 绕过露梁战场，经庆尚道猫岛西梁，向南海岛的平山浦方向逃去，根本不和联军交战。原本应该它挨得揍被岛津义弘等人接收了。
小西行长逃走的同时，刘綎的西路军趁机攻入顺天，朝鲜实录也记载：刘总兵报曰:本府督押四路官兵, 于夜半, 直抵行长城下, 三面攻打, 至于寅时。 以草包土, 填堑而上, 内外夹攻, 倭奴以为从天而下。 抵敌不住, 俱往海边, 无船不能。 追斩一百六十级, 获衣甲等物。
刘綎部明军陆军趁机冲进顺天城杀死了一些来不及逃走的日军和朝鲜伪军，斩首160级，小西行长麾下的一个部将“阿干苔力思结”（音译）可能是在给大部队殿后，结果也被西路明军生擒。根据后来投降的日军声称，刘綎这一路击杀的日军有上千人。
