此时，中朝水师主力亦已布阵完毕，开始冲击，李舜臣擂鼓首先率船冲击敌船队，陈嶙也随后率船冲入，并命令船只下碇，利用船坚炮利的优势攻击敌军船只，由于明朝战船船身高大坚固，既可以撞击敌舰，又可以居高临下投掷火砖、震天雷，日军受损甚烈，只能尽量躲避。为了吸引远避本船的日军，陈嶙命士兵伏在甲板上，以盾牌蔽体，日军远看以为陈嶙船上的士兵已被鸟铳和弓箭射杀殆尽，便开始围拢过来靠帮跳船，此时明军突然跃起，用长枪将攀爬船帮的日军捅下大海，然后使用前面提到的喷筒喷射日军船只，日船纷纷起火，士卒烧死和溺毙甚多。在朝鲜典籍 《李忠武公行述》 中，有如此记载，“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。”观音浦是一个更小更浅的海湾，日军进入这里，是想利用船只吃水浅的优势，与明军福船之类的大型船只脱离接触，但是，无形中也进入了兵法中所说的“绝地”。
福船是当时世界上最大的战舰之一，吃水约3.5米，排水量在数百吨(有一号、二号等规格)规模，按照此前戚继光给福船配备的武备，每门福船配备如下：
火器：包括大发火贡1门，大佛郎机6门，碗口铳3门，喷筒60具，鸟铳10支，烟罐100个，火箭300支，火砖100块，震天雷20个，灰罐100个。
弹药：粗火药400斤，鸟铳火药100斤，弩药1瓶，大小铅子300斤，火绳60条。
冷兵器：药弩10张，钩镰10把，砍刀10把，过船钉枪20支，标枪100支，铁蒺藜1000个，宁波弓5张，铁箭300支，弩箭500支，藤牌24面，篾盔、钉枪、腰刀每人一副。
而日军方面，最大的船也只有福船的四五分之一大小，火器以鸟铳(即早期的滑膛枪)为主，缺乏火炮。
在这种对抗中，日军只能靠鸟铳来偶尔施以还击，日本当时制造鸟铳的工艺较为精良，有效射程可以达到30——50米，虽然这种武器对明军大船和朝军龟船都不起什么作用，但天亮后，在距离合适的情况下，日军可以比较准确地用鸟铳射击对方船上人员，这对联军船上人员的威胁还是较大的。也就是在天亮后，李舜臣胸部中弹，被左右扶入船舱(这一情节与英法特拉法加海战中英军统帅纳尔逊的遭遇极为相似)。他对身边的侄子李莞说：“战方急，慎勿言我死。”其后牺牲。李莞按照指示，继续以李舜臣的名义发布命令，与明军一起，将日军余下的船队追入观音浦。虽然福船无法进入近岸浅水水域，但明军火器射程相当远，便在远处用佛郎机、虎蹲炮等火炮反复轰击日军。由于日本船只的坚固程度不足，3斤重的虎蹲炮所射铅子，很容易穿透船板，受损后的日军战船很难再保证正常情况下的机动性和速度。此时又恰逢退潮，朝鲜水域潮差很大，到中午，余下的近200艘日舰都搁浅在了滩涂上，船上的日军只得弃船登陆，旋即被岸上以逸待劳且早就想与水军争功的中朝联军陆军所歼灭。岛津义弘率领近身的50余艘战船，拼死突围，逃回日本。
