1598年11月，日军无心恋战，由蔚山出逃，明军分道进击。加藤清正率乘船撤退。明军由陈璘提督水师，副将邓子龙、游击马文焕等皆由其统属。以战舰数百，分布忠清、全罗、庆尚各个海口。

就在日军将领撤退之时，陈璘派遣邓子龙偕同朝鲜名将李舜臣联合出击，在露梁海上截击想援救小西行长的日军援军立花宗茂、岛津义弘、小早川秀包、高桥统增、宗义智、寺泽广高等部。

邓子龙年逾七十，仍然意气风发，率三巨舰向日军进攻，并自为前锋，与日军决战。战斗时曾携壮士三百人跃入朝鲜战舰以救援，直前奋击，日军死伤无数。但其他战舰却误掷火器于邓子龙的战舰，使战舰起火，结果邓子龙无路可退，壮烈牺牲。

而李舜臣领兵来援，率龟甲船冲入敌阵，但却被日军包围，结果不幸身中流弹而亡，他死前叮嘱侄子李莞：“战方急，慎勿言我死，毋令惊军。”并把军旗交给部下代为发号施令，以继续战斗。

随后副将陈蚕、季金等领军赶至，夹击日军，日军则因为成功让小西行长脱困而且战且退。而得以逃脱登岸的日军又为明朝所歼，而有大批的日军焚溺而亡。这时刘綎方进攻小西行长，并夺取桥寨，陈璘以舰队一同攻击，再焚烧日军战舰百余艘。小西行长的友军岛津义弘引舰队来援，陈璘亦将其击败，结果来援日军只得扬帆退去，立花宗茂则作为殿后接应小西行长让其余日军成功撤退。然而对日军而言，此战的目的仅是救出被围困在顺天的小西行长并撤退回日本，并非求战胜。

朝鲜西南海区的自然地理有两大特点：一是地形复杂，岛屿星罗棋布，水道纵横交错，便于水军依托岛岸，隐蔽机动地打击敌人；二是潮差大，平均可达10米，为远东地区所罕见。涨潮时，水势汹涌。退潮时，水位猛降，大片浅滩迅速露出水面。舰船如不迅速驶离，便有搁浅的危险。

日本水军在开战时，拥有1000余艘舰船，到战争末期已发展到3000艘左右，其中体型较小的关船居多，另有一部分体型较大的安宅船。数量虽然可观，但构造简单，性能较差。装备的武器为铳（即原始的滑膛枪炮）、枪、弓矢、倭刀等。

而明朝在朝鲜战场投入的兵力约4.5万人。其中水师1.3万人，战船500余艘。战船的种类繁多，有福船、楼船、栢槽、沙船、苍船、铜绞艄、海舫、八喇虎等。战船的武器精良，除弓、弩、刀枪、矛等冷兵器外，还有大量火器，如佛郎机、虎蹲炮等。据史料记载，明军火炮的射程最远可达3000米，而日军的只有100—200米。

朝鲜水军兵力约4.8万多人（占朝鲜总兵力的1/4），拥有船舶488艘，包括战船80艘（每船80人），辅助战船192艘（每船30—60人），勤务船26艘，其中最具特色的当属李舜臣创造的“龟船”——这是一种大型战船，上复盖板，板上有十字小槽，不是小槽的地方，遍插利刃及锥尖。前为龙头，龙口是铳穴；后为龟尾，尾下亦有铳穴。两舷各有6个铳穴，铳穴下有橹8—10支。龟船甲板坚固，机动灵活，攻击和防护能力均较好。日水军呈秀吉之曾说：“朝鲜人水战大异陆战，且战船大而行速，楼牌坚厚，铳丸俱不能入。我船遇之，尽被撞破。”

明朝水师提督陈璘最先获悉日军撤退的情报，决定在海上阻击日军，并作出了相应的部署：

一、联军水师主力由古今岛向前推进，前出到左水营、猡老岛以东海面；

二、在左水营建立基地和联合作战指挥所；

三、以一部兵力占领猫岛（今韩国全罗南道顺天东南），封锁光阳湾（顺天东南），控制露梁津海峡（今韩国庆尚南道西南），截断小西行长所率第三军之退路；

四、以一部兵力在露梁海峡及其以东海域巡逻，监视泗川、南海、固城各地日军之动向。

驻朝鲜西部日军接到撤退命令后，拟于万历二十六年（1598年）十一月十一日起开始撤退。驻顺天之第二军先撤，接着，驻泗川、南海、固城之日军，依次到巨济岛集结，候船回国。十一日晨，第二军部队登船待发。其先遣部队驶至光阳湾口的猫岛附近海面时，受到中朝联军水师的拦击，退路被截断。为了突破重围，第二军编组了一支冲锋船队，连日向联军水师发起攻击，均未能奏效，只得向驻泗川、南海之日军求援。

此时，驻泗川、新城之日军第五军主力，在岛津义弘率领下，已经登船，只待涨潮出发，驶往巨济岛。岛津义弘接到小西行长的求援信后，当即率领这支庞大的船队，于十八日夜乘月色向露梁海峡疾驶，企图突入光阳湾，解小西行长之围。中途与从南海开来之宗义智部船队会合。两支船队会合后，共有兵力万余人，舰船500余艘，于午夜开始通过露梁海峡。

陈璘、李舜臣获悉日援军西进的情报后，立即着手调整部署，决心在露梁以西海域，包围和歼灭救援之敌。其作战部署是：

一、以副将邓子龙率兵1000人，驾3艘巨舰为前锋，埋伏于露梁海北侧，待日船队通过海峡后，迂回到侧后发起攻击，切断其归路；

二、以陈璘率明朝水师主力为左军，泊昆阳之竹岛与水门洞港湾内正面阻击，待机出击；

三、以李舜臣率朝鲜水师为右军，进泊南海之观音浦，待机与明军夹击日军。

十九日丑时，石曼子（即岛津义弘）率军万余、战船500只西上，进入露梁海明军预伏地，遭陈璘部阻击，调头南下。天亮，日军发现前有伏兵，又向北回师，遭到北岸邓子龙部截击。联军三面合围，在露梁海与日军展开激战。

此时，“月挂西山，山影倒海，半边微明，我船无数，从阴影中来，将近贼船，前锋放火炮，呐喊直驶向贼，诸船皆应之。贼知我来，一时鸟铳齐发，声震海中，飞丸落于水中者如雨。”（《柳成龙惩毖录》卷二第六十八页）

联军驾船逼近日舰，跃上敌船，短兵肉搏。北岸邓子龙率士卒300登上朝鲜船，奋勇冲杀，由于众寡悬殊，邓子龙部旋即被日船包围。“子龙素慷慨，年逾七十，意气弥厉，欲得首功，急携壮士二百，跃上朝鲜船，直前奋击，贼死伤无数。他舟误掷火器入子龙舟。舟中火，贼乘之，子龙战死。”（《明史·邓子龙传》）

战至中午，陈璘派水师副将陈蚕、游击季金率部来援。与此同时，中朝联军水师左右两路分别从南北两个方向，向大岛以东海面之日船队主力，展开了猛烈的攻击。

《朝鲜李忠武公行述》对这场战斗作了生动的描述：“两军突发，左右掩击，炮鼓齐鸣，矢石交下，柴火乱投，杀喊之声，山海同撼。许多倭船，大半延燃，贼兵殊死血战，势不能支，乃进入观音浦，日已明矣。”

陈璘率主力与李舜臣夹击日舰，施放喷火筒，焚毁日军大部分战船。日军跳水登岸，又遭陆上明军截杀，死伤大半。石曼子（岛津义弘）不支，仅率数百只战船溃逃。李舜臣率朝鲜水师跟踪追击，进入观音浦，再度与日军血战。陈璘也率中国水师赶来支援，用虎蹲炮连续轰击，日船纷纷起火。在一片混乱之中，日军仍垂死挣扎，拼命反击。

李舜臣趁势追击, 但被日本人的火绳枪射中胸口, 不幸阵亡。临终前李舜臣命令麾下将士秘不发丧, 继续追击日军, 烧毁倭船200余艘。岛津义弘率领残余倭船百余艘遁入外海, 经过中朝联军一天的追击, 只剩下百余艘船狼狈逃走, 其余倭船均被联军烧毁，二百艘战船沉入海底。小西行长趁海战之际, 率军成功逃脱。至此, 露梁海战结束, 中朝联军获得大胜。

露梁海战是在近400余年前由中朝水军单独进行的，以切断敌人海上退路为目的的海上战役。这次战役给侵朝日军一部以重大打击、对战后朝鲜200年和平局面的形成，起了重要的作用。中朝联军水师在这次海战中，密切配合，善于准确判断情况，并根据敌情变化，及时调整部署，迅速转移兵力，依托岛岸、隐蔽待机，适时出击。先对一部从海上撤退的敌军实施严密封锁，迫其求援；在另一部敌军来援时。又迅速与其交战，达到了歼灭岛津和立花家军队目的。但是在岛津与立花家军（共一万七千）受毁灭打击的同时（具体损失人员则史书未有很明确记载），困守在顺天城的小西行长部一万三千人则从南海岛另一端跑掉了，同时日方主将岛津立花也得以全身而退，则参战的岛津立花军应当还有残部脱离战场。冲破封锁线的日军又与早在釜山等待的加藤清正一万人，黑田长政与毛利吉成各五千人会合，撤回日本。

中朝两国水师在统一指挥下，密切协同，英勇奋战，是露梁海战胜利的决定性因素。朝鲜水师统帅李舜臣身先士卒，中国老将邓子龙奋不顾身，都在激战中英勇牺牲，牺牲后，其子仍“麾旗督战，向前不已”，表现了中朝两国军队勇敢善战，前仆后继，同敌人血战到底的英勇气概。

有一种说法认为的是在露粱海战中被消灭的是岛津家的萨摩精锐，这导致了在关原合战时岛津家几乎无兵可用，在很大程度上影响了关原合战的结局。但根据NHK历史秘话中表述，关原合战时岛津义久只让弟弟岛津义弘带1500人前去，主力留下其实是为了对付之后可能的德川前来兴师问罪。故露梁海战与关原合战关系不大。