明朝水師提督陳璘最先獲悉日軍撤退的情報，決定在海上阻擊日軍，並作出了相應的部署：
聯軍水師主力由古今島向前推進，前出到左水營、玀老島以東海麵；
在左水營建立基地和聯合作戰指揮所；
以一部兵力占領貓島(今韓國全羅南道順天東南)，封鎖光陽灣(順天東南)，控製露梁津海峽(今韓國慶尚南道西南)，截斷小西行長所率第三軍之退路；
以一部兵力在露梁海峽及其以東海域巡邏，監視泗川、南海、固城各地日軍之動向。
駐朝鮮西部日軍接到撤退命令後，擬於萬曆二十六年(1598年)十一月十一日起開始撤退。駐順天之第二軍先撤，接著，駐泗川、南海、固城之日軍，依次到巨濟島集結，候船回國。十一日晨，第二軍部隊登船待發。其先遣部隊駛至光陽灣口的貓島附近海麵時，受到中朝聯軍水師的攔擊，退路被截斷。為了突破重圍，第二軍編組了一支衝鋒船隊，連日向聯軍水師發起攻擊，均未能奏效，隻得向駐泗川、南海之日軍求援。
此時，駐泗川、新城之日軍第五軍主力，在島津義弘率領下，已經登船，隻待漲潮出發，駛往巨濟島。島津義弘接到小西行長的求援信後，當即率領這支龐大的船隊，於十八日夜乘月色向露梁海峽疾駛，企圖突入光陽灣，解小西行長之圍。中途與從南海開來之宗智義部船隊會合。兩支船隊會合後，共有兵力萬餘人，艦船500餘艘，於午夜開始通過露梁海峽。
陳璘、李舜臣獲悉日援軍西進的情報後，立即著手調整部署，決心在露梁以西海域，包圍和殲滅救援之敵。其作戰部署是：
以副將鄧子龍率兵1000人，駕3艘巨艦為前鋒，埋伏於露梁海北側，待日船隊通過海峽後，迂回到側後發起攻擊，切斷其歸路；
以陳璘率明朝水師主力為左軍，泊昆陽之竹島與水門洞港灣內正麵阻擊，待機出擊；
以李舜臣率朝鮮水師為右軍，進泊南海之觀音浦，待機與明軍夾擊日軍。
十九日醜時，石曼子（即島津義弘）率軍萬餘、戰船500隻西上，進入露梁海明軍預伏地，遭陳璘部阻擊，調頭南下。天亮，日軍發現前有伏兵，又向北回師，遭到北岸鄧子龍部截擊。聯軍三麵合圍，在露梁海與日軍展開激戰。此時，“月掛西山，山影倒海，半邊微明，我船無數，從陰影中來，將近賊船，前鋒放火炮，呐喊直駛向賊，諸船皆應之。賊知我來，一時鳥銃齊發，聲震海中，飛丸落於水中者如雨。”(《柳成龍懲毖錄》卷二第六十八頁)聯軍駕船逼近日艦，躍上敵船，短兵肉搏。北岸鄧子龍率士卒300登上朝鮮船，奮勇衝殺，由於眾寡懸殊，鄧子龍部旋即被日船包圍。“子龍素慷慨，年逾七十，意氣彌厲，欲得首功，急攜壯士二百，躍上朝鮮船，直前奮擊，賊死傷無數。他舟誤擲火器入子龍舟。舟中火，賊乘之，子龍戰死。”(《明史？鄧子龍傳》)戰至中午，陳璘派水師副將陳蠶、遊擊季金率部來援。與此同時，中朝聯軍水師左右兩路分別從南北兩個方向，向大島以東海麵之日船隊主力，展開了猛烈的攻擊。《朝鮮李忠武公行述》對這場戰鬥作了生動的描述：“兩軍突發，左右掩擊，炮鼓齊鳴，矢石交下，柴火亂投，殺喊之聲，山海同撼。許多倭船，大半延燃，賊兵殊死血戰，勢不能支，乃進入觀音浦，日已明矣。”陳璘率主力與李舜臣夾擊日艦，施放噴火筒，焚毀日軍大部分戰船。日軍跳水登岸，又遭陸上明軍截殺，死傷大半。石曼子不支，僅率50餘隻戰船潰逃。李舜臣率朝鮮水師跟蹤追擊，進入觀音浦，再度與日軍血戰。陳璘也率中國水師趕來支援，用虎蹲炮連續轟擊，日船紛紛起火。在一片混亂之中，日軍仍垂死掙紮，拚命反擊。李舜臣領先督戰，中彈犧牲。其子秘不發喪，鳴鼓揮旗，代父指揮，繼續同中國水師並肩戰鬥。陳璘乘勝揮師西進，焚毀日軍準備撤退的船隻百餘艘，並與陸路劉綖軍夾攻順天日軍。小西行長率餘部逃脫。
露梁海戰是在近400餘年前由中朝水軍單獨進行的，以切斷敵人海上退路為目的的海上戰役。這次戰役給侵朝日軍以殲滅性重大打擊、對戰後朝鮮200年和平局麵的形成，起了重要的作用。
中朝聯軍水師在這次海戰中，密切配合，善於準確判斷情況，並根據敵情變化，及時調整部署，迅速轉移兵力，依托島岸、隱蔽待機，適時出擊。先對一部從海上撤退的敵軍實施嚴密封鎖，迫其求援；在另一部敵軍來援時。又迅速斷其退路，從南北兩個方向實施夾擊，達到了全殲敵軍的目的。
中朝兩國水師在統一指揮下，密切協同，英勇奮戰，是露梁海戰勝利的決定性因素。朝鮮水帥統帥李舜臣身先士卒，中國老將鄧子龍奮不顧身，都在激戰中英勇犧牲，犧牲後，其子仍“麾旗督戰，向前不已”，表現了中朝兩國軍隊勇敢善戰，前仆後繼，同敵人血戰到底的英勇氣概。