1598年11月，面对明军的追击，日军开始撤退，加藤清正乘船离开蔚山。明军由陈璘督率水师，副将邓子龙、马文焕等将领归其统帅，他们集结数百艘战舰，分别部署在忠清、全罗和庆尚的各个海港，准备迎击可能的日军援军。
关键时刻，陈璘指挥邓子龙与朝鲜名将李舜臣联手，在露梁海海域拦截了小西行长的援军，包括立花宗茂、岛津义弘、小早川秀包、高桥统增、宗义智和寺泽广高等。邓子龙虽年逾七十，但斗志昂扬，亲自率领三艘巨舰冲向敌阵，他带领三百勇士跳入朝鲜战舰解救被困人员，英勇奋战，重创日军。然而，不幸的是，由于友军误击，邓子龙的战舰起火，他壮烈牺牲。李舜臣率援军赶到，驾驶龟甲船直冲敌阵，却不幸中弹身亡，临终前他坚持低调，将军旗交予部下继续指挥战斗。
在邓子龙和李舜臣牺牲后，副将陈蚕、季金等率领的后续部队加入战斗，对日军形成夹击。日军在成功救出小西行长后，逐渐撤退，但很多日军在战斗中被明军歼灭，有的甚至葬身火海或溺水。刘綎率军进攻小西行长，陈璘舰队也加入进攻，焚烧了上百艘日军战舰。岛津义弘的援军被陈璘击败，只能退去，立花宗茂则负责殿后，确保小西行长的撤退。然而，对于日军而言，这次海战的主要目标是援救小西行长，而非寻求全胜。
露梁海战发生于16世纪末，为壬辰卫国战争最后的一场海战。在朝鲜半岛称之为“露梁大捷”（韩语：노량대첩）。