本丸南側：淺野幸長。
本丸西側：加藤安政。
二之丸：宍戶元繼、桂孫六。
三之丸：加藤與左衛門、近藤四郎右衛門、毛利軍一部。
二之丸與三之丸之間結合部由美濃部金太夫、九鬼廣隆把守。
右路明軍統將李芳春、解生駕船駛入蔚山、島山之間的河水，放火燒焚民屋，準備乘著濃煙攻下城去。島山的日本守軍趕緊發炮，擊沉幾艘明軍船隻，挫敗了李芳春、解生的計劃。
但是，主將加藤清正這時卻跑到機張去督工築城，島山城內群龍無首，加藤安政很是擔憂。淺野幸長的部下木村賴母自告奮勇，冒死潛逃到機張營，把島山軍情告知加藤清正。
加藤清正說：“我自日本起程時，曾經答應淺野幸長的父親長政好好照顧幸長。如果淺野幸長戰死，我有何麵目去見長政？”急令部下備好船隻，馳赴島山。
部將有人勸說：“部眾留在蔚山處有三分之二，現在又要留下一半，帶去的寥寥無幾。以寡敵眾，隻是白白犧牲。倒不如糾合諸將，大家戮力赴援，以圖萬全。”
加藤清正說：“你說得或許有些道理，但隻知其一不知其二。蔚山本來在我手中。如果各將未能及時趕到，蔚山很快就會淪陷。那時人人都會說清正膽小，害怕強敵，見死不救，讓部屬喪生。果真如此，那簡直比死還要恥辱。況且其他各部離蔚山甚遠，我們較近，不可以自己不去救援，讓其他各將去。再從兵家利害來看，敵人遠道千裏而來，尚未站穩腳跟，且仗著兵多將廣，必然輕敵。我兵雖少，卻可出其不意，一舉擊破明軍。”
是夜，加藤清正率領五十餘人，乘著幾艘輕舸，星夜兼程。加藤清正頭上戴著銀色帽子，右手拿著一把眉尖刀，站在船頭，飛馳抵達島山城。統帥的來臨，令城內守軍歡呼雀躍，士氣大振。加藤清正一入城，就加強構築防禦工事，下令在蔚山、島山之間築造新壘。時天氣嚴寒，土塊一沾上水，立即凍得如石頭一般堅硬。
翌日天未亮，楊鎬就開始下令攻打島山城：左路李如梅圍攻伴鷗亭，中路高策自兵營直向島山城外敵軍營帳，右路李芳春攻打太和江倭營。
卯時，三路明軍進逼島山城下。楊鎬身穿甲胄，親自督戰。先把延遲不前的兩人拿下斬首，又將一個落伍的士兵割下左耳。於是，明軍將士爭先恐後，直衝向島山東城。
明軍擺上各種大炮，頃刻之間，數百支火箭急風驟雨般落在島山城頭上。炮聲轟天震地，硝煙彌漫。
城內無數房屋著火，這時一陣北風又來助陣。勁風刮得火勢更加熾烈，眨眼間日軍營帳全都燒毀，黑霧騰空，天空頓時昏暗下來。江邊也有兩艘船著火，沒幾下就沉入水底。
一場大火燒得日本人哭爹叫娘，焦味熏天，隻得紛紛躲入土窟。明軍趁著火勢猛攻，左路茅國器的浙江兵率先登上，連連攻擊。日本人抵擋不住，潰向島山堡壘三之丸。
毛利輝元的家臣武將冷泉元滿揮舞著手中的薙刀砍殺，旋即喪命於浙江兵的刀劍之下。城中日本人見此情景都按兵不動，隻有吉見廣行例外。此人年僅十八，卻深諳弓箭之道。他指揮軍隊排成圓圈，命令弓手誘敵接近，在有效距離內放箭，射進數以千計的明軍中央。浙江兵視死如歸，踏著同伴的屍首，前赴後繼，昂首挺進三之丸。吉見廣行命人將手中的長刀列成一排排，城中的日軍也不斷發炮轟擊，終於守住了三之丸。
茅國器的浙江兵雖然沒有攻下三之丸，但也斬獲日軍首級六百六十一，燒死敵人無數，此外還斷絕了日本人的水路。
島山城用巨石建築而成，石築如削，穴如蜂巢，崛曲難攀緣。盡管明軍抬出各種大口徑的火炮，猛烈射擊，但山阪峻高，擋住了彈丸，火炮的威力無法發揮出來。明軍不得已隻得架起雲梯仰攻，日軍占據製高點，從高處發銃，亂投巨木石，明軍傷亡慘重。
朝鮮將官尹泂、李時言等爬到距島山五裏之外的牛岩山上觀望，隻見島山外城已被明軍攻破，而山上的小城，猶如懸在半空的堅固石城，明軍蟻附城壁，屢攻不下。最後有十多人攻上城頭，但是後續跟不上，這十餘人衝進去，再也不見出來。
這時，小西行長率軍來援，但又怕明軍攻打釜山，隻好選出三千日軍，分乘四十餘艘戰船，在太和江下遊藍江，停泊下來。楊鎬派遣浙江騎兵二千、步兵一千，分截江邊。一待援軍戰船靠近，就發炮轟擊。