二十六日，得到初战报捷的消息，为防止查大受轻敌冒进，李如松亦亲率轻骑南下支援。《经略复国要编》之《叙恢复平壤开城战功疏》中转呈了李如松对此战的揭报：“本月二十六日职先遣原任副总兵孙守廉、祖承训、游击李宁等选领精兵三千，前锋哨探王京道路，以便进兵埋伏攻取。去后二十七日，职率副将杨元、李如柏、张世爵等选带兵丁二千亲去踏看，至马山馆离王京九十里，留杨元领兵一千继后，职与李如柏、张世爵等领兵一千前行……” 加藤物见队在距京城数里之外遭遇明军袭击的消息，令王京日军迅速行动了起来。《日本战史 朝鲜役》记载：四万日军当即出城准备迎战，但向北搜索了四、五里，却发现查大受部已然退回坡州，只得无功而返，但从此加强了对王京以北的警戒和巡视，并在弘济院设立前哨阵地，以反制明军仍然不时出没的哨骑骚扰。 关于查大受部退回坡州的行动，中朝史料中未见任何记载，亦未提及查大受二十五日进抵王京附近之后直至二十七日之间的行动。

二十七日丑时（凌晨1~3时）许，由立花家两位家老——十时但马守和森下备中守钓云，以及“骑士铳卒各数十”组成的物见队，在王京以北约12公里的砺石岘附近发现明军大队的踪迹，火急回报本队。于是，枕戈待旦的日军迅速行动起来，立花宗茂军先行，各部跟随其后，相继向砺石岘进发。当先赶到的立花宗茂迅速占领砺石岘，由于当时大雾弥漫影响了视野，宗茂并未急于进攻，而是一面下令士卒吃早饭，一面开始排兵布阵：先阵小野和泉守镇幸、米多比丹波守镇久七百人，中阵十时连久、内田统续五百人，后阵宗茂与其弟高桥统增二千人。此时十时连久提出，小野镇幸和米多比镇久皆为家中重臣，未防有失不可为先锋，并慨然自任，得宗茂许可争得先锋之位，于早六时开始超越先阵进军。 七时，十时队与明军骑兵先头部队发生接触。但关于此部明军的具体人数，日本的各种记载却说法不一，《日本战史 朝鲜役》记作二千马军，曾根俊虎《日本外战史》、奥田鲸洋《日韩古迹》则均说仅有数百。 当追击到距离望客岘数町（几百米）距离的时候，忽然遭遇六七千明军增援部队的反击，十时连久以下百余人战死，立花宗茂军陷入苦战。而据桐野作人《碧蹄馆之战》所说，立花军当时其实是使用了一种“示弱”战术，即以十时连久的五百兵力正面楔入敌阵然后撤退，引诱敌军追击，立花宗茂则率本队主力二千人绕到明军右翼，寻机攻打敌人移动中暴露出的薄弱部位。不料明军的火炮太过猛烈，当十时连久成功完成诱敌任务准备撤出时，负责接应他的小野镇幸却被明军风暴似的大炮轰击所阻，待小野队终于冒着炮火突入与之会合之时，十时连久已死于明将李如梅箭下，与他同时战死的还有其部下百余人。但连久虽死，立花宗茂的本队却借着大雾绕到了明军右侧，趁明军骑兵的追击队形尚松散时，突然发起了攻击，并与正面的小野镇幸相互呼应，从两面交替打击明军的中军。 “宗茂的二千余骑疾驰到（离敌军）仅有3町的地方，一齐呐喊后，从左侧发动攻击，打乱敌军阵形后撤离。（镇幸）八百余骑向顽强抵抗的余势追击，讨得二千余敌。”

作为《立花朝鲜记》著者的天野源右卫门，是亲自参加了这场战斗的立花家武将，他对战斗情形的记述有很高的直观性和参考价值，但就上面这段文字来说，却存在一些明显的错误，杀敌二千的战功连桐野作人等日本学者也都认为是太过夸张的虚报，而对明军火炮的描述也与实情不符：当时明军的火炮器械都留在了开城，在碧蹄馆施放的只是神机箭而已。

但除开这些，倒也确与朝方史料有吻合之处，柳成龙奏章中提到的：“贼多设伏于山谷间，先出数百余人诱引，总兵挥军掩击，贼披靡散走，斩获殆尽，彦伯军亦多射杀，欲引退之际，贼后队大兵继至……”或许就是对这一段战事的描述。而金命元、俞泓奏报中“斩获六百余级”、“适逢贼六七百名斩获四百余级”的战绩，用在这里虽然也显夸大，但也比用在仅有一百五十余人的加藤小队身上要合适的多。此外，申炅《再造藩邦志》中也有一段记载：“黎明贼数百出阵于弥勒院前野，査大受与高彦伯领数百骑进击，斩贼一百三十级。”和日方提供的损失颇为相近。

至于中方此时投入的兵力，日方先后遇到的“二三千马军、六七千增援”，其实就是前面所提到的查大受五百前哨和孙守廉、祖承训、李宁的三千后继。而此时的李如松，按照同驻坡州的钱世桢所言：“辰时而令不至，遣人探之，提督公已率其家丁赴碧蹄矣。”应该刚出坡州不久。

不管《立花朝鲜记》等日方军记有多少水份，到上午巳时（9~11时）许，立花军在又付出武者奉行池边永晟战死，若干兵伤亡的代价后，已经将数量与其大体相等的明军一直逼退到了望客岘以北地区——这里存在另一种可能，即査大受、祖承训们是被立花军后面不断涌出，仿佛无穷无尽的日军后续部队吓退的——但应该肯定的是，拥有人数优势主场作战的日军已经掌握了战场上的主动权。据《日本外战史》记载，当时战事极为激烈，“宗茂铠上箭如猬毛”，不得不退到西面小丸山上稍事休整，黑田长政军上前接替其奋战，才逼退了明军。双方暂时脱离接触，准备整军再战。

据李如松的自述，他于巳时左右赶到战场，见査大受、祖承训等面对增多的日军正在犹疑不决，且战且退，当即喝令众军一齐向前，对日军发动了反攻。“至碧蹄馆离王京五十里，闻报我兵与贼对敌，职即督兵驰至，见得各将因贼势众方在迟疑，职当即奋喝将士如敢畏缩不前者斩首，于是官兵齐上与贼砍杀一处，从巳至午……”

但此时同样在巳时许，小早川隆景、宇喜多秀家率领的四万日军主力已赶到了望客岘战场。

日军再次进行阵前紧急军议，石田等奉行认为明军新到增援士气必盛，应该撤退以避其锋，于是着黑田长政去劝说前军主将小早川隆景撤军，遭隆景断然拒绝，大谷吉继又亲自前往相劝，隆景面对吉继和众将痛陈利害，指出“此时撤军，彼若追击，我军则进退维谷，今日之战，我军必并力向前。”众将感奋，皆愿一战，于是隆景下令重新布阵，他亲自接替主攻位置，宇喜多秀家、黑田长政等随后跟进，另使小早川秀包、毛利元康、筑紫广门等五千人从东侧的山上包抄明军左翼，而已经奋战一上午的立花宗茂军则在休整之后，从西侧山上向明军右翼迂回。

巳时下刻，小早川隆景以麾下大将粟屋景雄、井上景贞各领三千人分左右两翼向明军逼近。甫一交战，左翼的粟屋景雄即遭遇了明军神机箭和弓箭的猛烈射击，队伍一时大乱，一部明军骑兵趁机越阵而出，直冲粟屋队，粟屋景雄奋力拒战，渐渐不支，右翼的井上景贞急忙准备上前支援。此时，小早川家的谋士佐世正胜谏言：“敌势猖獗，粟屋队很快就要不支后退，毋宁待敌军追击之时，从山坡上猛然冲下击敌侧翼，则敌军必败。”景贞从之。须臾之间，粟屋队果然败退，明军骑兵追击而来，“恰如海潮涌至”，井上队遂一齐呐喊，冲下山坡，粟屋队亦回身反攻，同明军展开了一场恶战。

近身搏战之中，明军骑兵的装备劣势显露出来，除了神机箭外，明骑兵仅携带了随身配刀（李如松亲兵携带了三眼铳）。此外，地形地势也限制了明军骑兵的发挥。从砺石岘至碧蹄馆，皆是崎岖狭窄的河流溪谷地形，略平整处则散布民间水田，极不利于骑兵机动。加之头天晚上天降大雨，地上的冰雪初解，道路泥泞不堪，马匹的速度优势荡然无存，反倒限制了骑兵的行动。一番激战之下，人数和装备均处于劣势的明军渐渐不支，战线开始向北推移至高阳。李如松亲自上阵督战，但处于人数劣势且久战之下的士兵已疲惫不堪，遍地泥淖更使得战马举步维艰，明军陷入苦战。

近午时，日军左右翼的部队从山上迂回到位，完成了对明军的三面包围，小早川隆景居中，立花宗茂在左，小早川秀包、毛利元康在右，同时发起了总攻。“贼众接续愈添，分布沿山遍野，由两山夹空将我兵围住……李如松见情势危急，跃马冲至阵前，“与手下骁将数十人亲自驰射”

看到李如松如此神勇，明军将士士气大振，继续浴血奋战，双方又成僵局。 紧急关头，杨元率领的援军终于赶到，从日军尚未合拢的北面一气杀入，为被困明军打出了一条后退的生路。这支援军的数量一直以来普遍认为只有一千人，但在坡州之前数日就据李德馨奏章驻有六-七千明军，因此杨元此来可能不只带自己本部的一千骑兵，援军或许有可能共约五千人并带有一个炮营。此时，据李如松自己的说法是他并没有打算撤退，而是还打算试图整军反击。

日方史料认为，日军后队源源而至，吉川广家、黑田长政，以及宇喜多军的大将户川达安等纷纷上前夹击，李如松见日军势大，只得下令明军向北方的惠阴岭撤退。日军追击一段后亦于下午五时许回到王京。

而中方的记载则是，李如松的揭报称，本来就对李如松围攻不下的日军，因为见到明军还有后援，慌乱的日军先行撤退，其率队掩杀后得胜而归。

此战明日两军的损失，据李如松自己的揭报称：“职喝官兵争前砍杀，贼即披靡大溃，我兵乘胜追逐，当阵斩获首级一百六十七颗，内有贼首七名，系游击沈惟敬、通事张大膳辨验明的，夺获倭马四十五匹，倭器九十一件，比贼迟奔，因稻畦深陷马难驰骋不及穷追，收兵回营，查计阵亡官兵李世华、贾待聘等二百六十四员名，阵伤官兵四十九员名，射打死马二百七十六匹。”

日本方面，《日本外战史》、《朝鲜征伐记》、《朝鲜军记》、《日韩古迹》等皆声称明军被斩首超过一万以上，尚有意犹未尽者，称日军一路追击直至临津江边，明军争渡逃命，淹死者无法计数，尸体阻塞江流云云。《日本战史 朝鲜役》相对谨慎，给出了斩首六千的数字，但即使这个数字也超过了明军此战的参战总人数，并不具备可信性。而日军方面的伤亡，现存日方各种记载中皆称损失不过数百人也完全不具备可信性。

但值得注意的是：同年三月二十三日，石田等三奉行在王京检点士兵人数，统计立花宗茂、高桥统增所部仅余一千一百三十二人，比之碧蹄馆战前之时减员一千八百多人，而此战之后立花军并未再参加任何有记载的作战，那么碧蹄馆之战无疑是其最主要的损失原因。而且日本战史朝鲜役是编成于20世纪，不能否认里面仍有很多演义化，理想化推算各家兵员实有数的情况。 朝鲜方面的记载也基本都认同明军失败的观点，由于朝鲜大臣不能干预明军的军事内情，无法获得准确的伤亡点验数字，但也因为其与明军高层有一定往来而有一定参考价值，如李德馨奏“与贼死伤相当，几至五六百矣。”尹根寿称“损折天兵三百，杀倭亦三百，杀伤相当”再如吴惟珊所说是“斩倭仅百二十余，天兵死伤千五百”。

。

而明军伤亡，根据朝鲜所述，战后李如松军尚余三千余人，结合出兵人数五千余人的情况来看，损失应在一两千人左右，比例大致符合。考虑到仅立花宗茂军就减员至少千余人，日军的损失不会少于两千。一句话总结：“撒网捕鱼，鱼走网破”。若真要细究，则可看出明军部队极其强大的战斗力——日军四万人在一场遭遇战中遇上五千人的明军，不但没吃掉对方，反而被突围了。

关于碧蹄馆之役的影响亦有两种说法，一种近年网上出现的说法是明军以少退多，粉碎了日军在万历朝鲜之役中一次歼灭成建制明军的机会，极大的打击了日军士气，为日后逼迫日军放弃王京，攻克汉城奠定了基础。

另一种则是双方在此役后形成僵持局面。李如松一面退兵开城，固守现有阵线，一面派遣沈惟敬再赴王京，同日军重开和谈，在谈判中仰赖战争前期取得的优势成功迫使日军放弃王京南撤。《中国军事通史》持的就是这种观点“碧蹄馆之战是第一次万历援朝战争的转折点……

而从实际上来说，碧蹄馆之役毫无疑问震慑了日军，使日军不敢再对明军采取任何主动的军事行为。同时也遏制了明军收复平壤之后所向无敌的进攻势头。日军因为后勤问题加重了被动局面，只想尽量多的抱有既得土地。明军也因为本身兵力太少，碧蹄馆伤亡的又多是辽东的精锐和私兵，让李如松心痛不已，放弃了正面大规模作战的想法。双方进入了全线僵持期。