由于深受海贸同盟舰队形象的影响，日本方面一直认为明军单以炮术见长，因此日军也没料到这支明军水师会冲上来打近战，于是大意之下被明军突入的岛津军伤亡惨重。
岛津军将领桦山久高所率的备队虽然成功突破露梁海峡，但自家备队也被联军水军分割开来。随后，因不明附近海域情况，误打误撞中冲入了朝军水军集结地的观音浦，战船也搁浅于海滩之上。
桦山久高不得不弃船上岸，徒步横穿至南海岛东岸得以逃生。而主将岛津义弘所乘之船也因为潮汐的原因与船队脱离，被联军战船包围后，一时间几乎陷于绝境，在其他战船的奋死救援下才得以脱离险境。
战况于日军极其不利，加之天色已渐渐明亮，拥有极大火炮优势的大明平倭舰队即将可以大展神威。见大势已定，日军不再考虑作战，遂拼命拉开距离，回师撤军。然而，为了撤军又不得不放弃部分一时难以脱战的战船，整体损失进一步加重。
战后，平倭舰队清点战果，上报高务实说：“捕获日本船百艘，击沉二百艘，击杀日军一千五百，俘虏四百八十余，日军溺死者无数”。[这里的日军舰队已经是会合了釜山港内舰队的。]
这一次与历史上不同的是，明军副将邓子龙未曾牺牲，倒是朝军主将李舜臣在交战中挨了一发流弹，重伤不醒，不知道能否捡回一条命。
不过，由于海战结束后明、朝联军水军见日军退却，自然全力追击，因而对沙下地区的海上封锁也就此解除。
见海上封锁解除，小西军于十九日晨避开发生海战的地区，从沙下与釜山之间的地区经大迂回后，于二十日平安到达巨济岛。同样是二十日，南海岛残存的桦山久高收罗了大约五百人的岛津军后，亦平安撤退至巨济岛。西部方面日军撤退结束。
二十三日，加藤清正、小早川秀秋等自釜山回国，但在他二人从岛山撤往釜山的途中遭到麻贵部的伏击，尤其是伏击之后李如梅部骑兵的冲阵给日军带来巨大伤亡，此战日军损失一万七千余人，不说彻底打残那也是伤筋动骨。
二十四日，毛利秀元、毛利吉成等自釜山回国，这一路似乎“运气极佳”，居然没有明军对他们发起进攻。
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