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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。
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智义部船队会合。
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：
1.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;
2.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;
3.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。
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。
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50余只战船溃逃。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。
李舜臣领先督战，中弹牺牲。其子秘不发丧，鸣鼓挥旗，代父指挥，继续同中国水师并肩战斗。陈璘乘胜挥师西进，焚毁日军准备撤退的船只百余艘，并与陆路刘綎军夹攻顺天日军。小西行长率余部逃脱。
