九鬼嘉隆见朝鲜水军已逼近釜山，下令全军只许进行零散射击，引朝鲜船队全部入港。果不其然，先锋郑运见倭寇抵抗节奏混乱，便令先锋船队突入釜山浦，李舜臣也紧随其后，李舜臣心念：“釜山为倭寇重地，为何不见大量倭船停泊，倭军虽多但抵抗却散乱不一，是何原因？还是应先集中战力火炮摧毁工事，再看是否可登陆作战为好。”李舜臣便令以龟船居前掩护，领主力跟进进入釜山，三道水军战船陆续开入釜山与日军进行互射。
来岛通总见朝鲜船队已大部分涌入釜山浦，便向九鬼嘉隆发射信号，九鬼嘉隆立刻下令全军全力还击。釜山浦三面岸防凭借关墙险要及暗堡洞窟疯狂向朝鲜水军发射铁炮，一时间便每轮皆有数千余铁弹如雨pēn_shè而出，居高临下顷刻间朝鲜各战船甲板皆被火力覆盖，士兵死伤众多，岸防大铁炮及所缴获朝鲜火炮对朝鲜水军战船有较大杀伤，除对船体伤害外，来岛通总下令着重于轰击朝鲜战船的桅杆及撸桨使其不能移动。
朝鲜水军也分列四队对日军予以火炮火矢还击，五艘龟船也奉命逼近岸边游戈射杀敌寇，整个釜山浦硝烟弥漫，火光冲天，杀声四起，炮声连连，硝烟火雾几乎笼罩了整个釜山浦，两军互相之间难以轻易辨认方位，转入乱射对战，但日军凭借坚固防御工事以及险要之地，总体伤亡比较朝鲜水军而言，战损微不足道。在港内的十几艘日军战船早已被朝鲜炮击击沉，但对于日军来说毫无所谓，九鬼嘉隆见朝鲜水军已被牵制，心觉胜利在望，便再度下令全军保持射击，注意连段节奏，在战火中有数次朝鲜战船逼靠岸边登岸，与日军陷入混战，但力不能敌，数次登岸皆被日军歼灭。
李舜臣已知中计，下令全军撤出釜山，朝鲜水军各级将领及士卒在日军密集火力中坚持作战，多有死伤，先锋郑运在指挥作战中也不幸被日军铁炮射中，当场毙命。李舜臣后见郑运已死，严令抢夺郑运尸体出港，庆尚道元均见下令撤退，当先率领船队撤出釜山，李亿祺紧随其后领船队撤出，副将宋希烈劝李舜臣赶快撤离，李舜臣也知水军已败，再不撤出釜山必被敌寇所俘或射杀，便也只得随剩余船队撤出釜山浦。九鬼嘉隆见朝鲜水军已撤出釜山，严令全军不得追击，立刻打扫战场，收缴朝鲜破损战船及火炮弹药。九鬼嘉隆见如此大胜，狂笑不止，令立刻向总大将宇喜多秀家及太阁殿下报功，并备大宴庆功。
此战朝鲜水军战船损失较多，人员伤亡无数，副将郑运等数位将领战死，李舜臣与三道水军各回本营，李舜臣率领全罗道左水营返回丽水港，并为郑运及阵亡将士举行祭奠。郑运为人豪放，英勇无比也熟悉兵法，为李舜臣倚重，平日较受士卒爱戴，全军将士无不对郑运之死痛苦不已。李舜臣痛感自身轻敌冒进，未能识破日军奸计，致使朝鲜三道水军损失惨重，副将郑运也因自己而死，李舜臣泪流满面，痛心疾首，发誓定要替郑运及全部阵亡将士报仇雪恨。隔日便散发探船打探情报，寻找战机以便再战复仇。但日军此后在各港口陆海协防，将大批战船集中用于运输护送，李舜臣率水军数次出击均不能获胜，斩获微小，无法收复被占港口及切断海路，便只得暂时放弃进攻。
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