中朝联手的“露梁大捷”
当撤退命令下达后，小西行长几次组织小规模撤退，均被中朝联军水师挫败。从日军的行动中，中朝联军水师提督陈璘和李舜臣敏锐地判断出：这是日军总撤退的信号。联军决定将计就计，在露梁海峡地区组织一场围点打援的战役，彻底歼灭日本水军，断绝残余日军的最后退路。联军故意放弃对11月18日回国的加藤清正军团的拦截以麻痹敌人，将全部水师兵力集中到顺天附近海域，由老将邓子龙率明朝水师一部埋伏在露梁海以北，切断日军退路；由李舜臣率朝鲜水师埋伏于露梁海以南的观音浦；陈璘则率明朝水师主力埋伏在昆阳竹岛，计划用三支舰队将前来救援小西行长的岛津舰队包围歼灭。
19日凌晨，岛津舰队刚驶出露梁海峡即落入联军包围。岛津舰队一面使用火炮和火枪还击，一面继续前进。战至天明，岛津舰队被联军舰队逼入观音浦，出口已被联军封死。
为打开突围航道，岛津义弘指挥舰队反复向港外发起冲击，联军水师与岛津舰队陷入混战。在狭小的港湾里，火枪火炮已施展不开，双方水兵互相跳帮，展开惨烈的白刃战。七十高龄的邓子龙率领亲兵不停冲向被围困的朝鲜战船，跳上甲板杀散船上的日本水兵，救出多艘朝鲜战船。日军战船随后集中火力轰击邓子龙坐舰，并组织舰船抵近用火枪齐射，邓子龙胸前中弹，当即阵亡。
邓子龙战死后，岛津舰队也已损失过半。岛津义弘决定集合残余的二百余艘战船向港外发起最后一次冲击。李舜臣看出岛津义弘的意图，率领朝鲜水师迎着岛津舰队的航线冲了上去。激战中，一发流弹击中李舜臣。弥留之际，李舜臣叮嘱左右暂时不要公布自己的死讯，以免影响士气，不久便溘然长逝。