6月28日，本愿寺势方面通过杂贺众希望得到毛利氏方面的兵粮补给。7月13日，奉毛利辉元的命令，部将儿玉就英（“川内众”，毛利的直属水军指挥）率领村上武吉（村上水军）及其他的能岛水军、来岛水军等共计800余艘战船前来支援石山本愿寺运送兵粮，并攻击摄津的木津川口。信长闻讯，派遣九鬼嘉隆领大小战船300艘前来阻击。第一次木津川口海战开始。

封锁大阪湾

战争伊始，九鬼嘉隆将船队一分为三。中路以沼野伊贺守队从正面进攻，侧路军九鬼嘉隆作为“别动队”从侧翼进攻。而后路军真锅主马兵卫负责封锁大阪湾。同时，为了弥补兵力上的劣势，织田军采取海陆夹击战术：信长另派后援队于木津川口南岸陆上架设火力。

另一边的毛利军分为三路军十八个队，中军为儿玉就英率领的毛利水军，左路为村上吉继率领的来岛水军，右路则为村上武吉的能岛水军，三军以“蝴蝶之阵”迎击。

织田军中路沼野队当先冲出，与儿玉就英队交锋激战。同时，左侧路九鬼嘉隆队向东南方向展开延伸。

毛利军左路村上吉继军向前突出，欲包抄沼野队。沼野伊贺守引船后撤，儿玉就英展开追击，九鬼嘉隆亦再向东南延伸。双方拉锯一阵后，毛利方面被引诱到了大阪湾内。

水陆夹攻

织田军以见到木津川河口为定号，开始进攻。

沼野队返身回战；真锅本队向北，攻击毛利左路村上吉继军；而九鬼嘉隆亦领延伸部队开始向毛利军南侧移动。随后，毛利军右路村上武吉军开始向西北方向靠拢，企图与儿玉就英队夹击织田军真锅队。就在此时，九鬼嘉隆队已经靠拢至毛利军南侧，嘉隆引船突袭村上武吉军与儿玉就英军的右翼，与此同时，织田军的陆上火力朝其猛烈射击。毛利军已被水陆夹攻。

“蝴蝶之阵”与“焙烙火矢”

虽然遭到了夹攻，但毛利军并未混乱。依托先前的“蝴蝶之阵”，毛利军的“蝶翼”开始向外展开。村上武吉几道旗令令下，能岛水军左两队、来岛水军右两队与中路军的四个后卫船队分别向南、北两个方向展开穿插，中路军内左锋与内右锋亦向织田真锅队展开穿插进攻。毛利水军所使用的小早船速度快、机动性强，相比之下，织田水军使用的关船与安宅船相对“笨重”，对毛利军的突然穿插措手不及，织田船队很快就被冲乱。

与此同时，在穿插过程中，毛利军使用“焙烙火矢”（“焙烙玉”）对织田军战船发动攻击。织田军的木制战船在火攻面前没有丝毫抵抗力，织田船队顷刻大乱。

战争已进入决胜阶段。不久，村上武吉、村上吉继和儿玉就英各自将本部船队展开推进。沼野伊贺守的船队被村上吉继逼退至大阪湾的东北角，而真锅主马兵等五路船队也与九鬼嘉隆的船队断开。织田军逐渐被毛利军分割包围。

织田军败

在战场南侧的九鬼嘉隆逐个收拢败退船队，企图与真锅主马兵卫的船队会合。但被村上武吉军用“焙烙火矢”击退。起火船只皆乱作一团，忙于救火，最终丧失战斗力被逐个拦截击沉。

另一边，来岛水军已对东北角的织田军完成包围，村上吉继军亦用“焙烙火矢”将沼野船队逐一击沉。而中路战场中，毛利军用一番火攻后派出游击船队逼近余下船只，与织田军进行跳帮战，最终，真锅主马兵卫等多名织田方船手大将战死，封锁大坂湾的军船大部分被烧毁。不久，儿玉就英率船队转抵南侧战场，九鬼嘉隆拼死突出重围，仅率数只轻舰逃离战场。随后，毛利军将兵粮弹药搬入石山御坊。

至此，第一次木津川口之战以毛利军大获全胜而告终。

此战中，毛利军充分发挥己方船只的高机动性及兵力优势，使用分割包围战术，大破织田军，夺取了大阪湾的制海权。整个濑户内海已归毛利所有。

此次兵败直接导致织田信长对石山本愿寺的封锁包围计划一时落空。同时也使信长改变了直接攻略石山的计划。1577年（天正五年）2月13日，信长与嫡男织田信忠一起出阵纪州杂贺；10月10日，再遣织田信忠攻击信贵山城，松永久秀父子自杀；10月23日，遣羽柴秀吉从京都出阵，开启中国（本州南部）攻略。这一系列行动使得石山本愿寺愈加势孤。

另一方面，此战也直接促成了第二次木津川口之战的爆发。