海战经过
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。驻顺天之第二军先撤，接着，驻泗川、南海、固城之日军，依次到巨济岛集结，候船回国。十一日晨，第二军部队登船待发。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义智部船队会合。两支船队会合后，共有兵力千余人，舰船约500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：
一、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;
二、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;
三、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。
十九日丑时，石曼子(即岛津义弘)率军千余、战船500只西上，进入露梁海明军预伏地，遭陈璘部阻击，调头南下。天亮，日军发现前有伏兵，又向北回师，遭到北岸邓子龙部截击。联军三面合围，在露梁海与日军展开激战。
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，明朝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。
陈璘率主力夹击日舰，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200余只战船溃逃。陈蚕也率部队跟踪追击，进入观音浦，再度与日军血战。季金也率水师赶来支援，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。
邓子龙在战斗中死亡，明军继续与日军作战。陈璘乘胜挥师西进，焚毁日军船只数艘，并与陆路刘綎军夹攻顺天日军。小西行长率余部逃脱。
1598年，明朝水师在露梁海面以约500艘战船包围约500艘日本战船，日军战船损失较大。
结局影响
露梁海战是在近400余年前由明朝水军单独进行的，以切断敌人海上退路为目的的海上战役。这次战役给侵朝日军一部以重大打击、对战后朝鲜200年和平局面的形成，起了重要的作用。明朝水师在这次海战中，密切配合，善于准确判断情况，并根据敌情变化，及时调整部署，迅速转移兵力，依托岛岸、隐蔽待机，适时出击。先对一部从海上撤退的敌军实施严密封锁，迫其求援;在另一部敌军来援时。又迅速与其交战，达到了歼灭岛津和立花家军队目的。但是在岛津受打击的同时(具体损失人员则史书未有很明确记载)，困守在顺天城的小西行长部一万三千人则从南海岛另一端跑掉了，同时日方主将岛津也得以全身而退，则参战的岛津军应当还有残部脱离战场。冲破封锁线的日军又与早在釜山等待的加藤清正一万人，黑田长政与毛利吉成各五千人会合，撤回日本。
明朝水师在统一指挥下，密切协同，英勇奋战，是露梁海战胜利的决定性因素。中国老将邓子龙奋不顾身，在激战中死亡，其子仍“麾旗督战，向前不已”，表现了明朝军队勇敢善战，前仆后继，同敌人血战到底的英勇气概。
有一种说法认为的是在露粱海战中被消灭的是岛津家的萨摩精锐，这导致了在关原合战时岛津家几乎无兵可用，在很大程度上影响了关原合战的结局。但根据NHK历史秘话中表述，关原合战时岛津义久只让弟弟岛津义弘带1500人前去，主力留下其实是为了对付之后可能的德川前来兴师问罪。故露梁海战与关原合战关系不大。