在炮火掩护下，上万明军开始攻城，攻守双方展开激战。
史记：“诸军鳞次渐进，初日下射盔铠，银光灿烂，眩曜万状，奇怪夺目。俄而发大炮一号，各阵继而齐发，响如万雷，先着密德土窟，赤焰亘天，延殆尽，城上贼帜，须曳风靡。贼伏于睥睨之间，多用铳丸，汤水石块，以死拒守。又用长枪大刀，向外齐刃，森如猬毛。天兵稍却，提督手斩退一人，巡示诸军，挺身直前呼曰。诸军鼓噪齐进，奋勇薄城，负麻牌持戟矛，相杂而登，或发射放炮，或仰刺守陴之贼，贼不能支吾“。（申炅《再造藩邦志》，李朝《宣祖實錄》）。
日军素来轻视朝鲜官军，防守南芦门的五岛军与部分朝鲜伪军，被身穿朝鲜军服，佯装踏跙不前的明军所迷惑而懈怠，祖承训与骆尚志抓住时机挥师登城后，卸装露明军盔甲发起突击，南芦门遂被明军攻破。
五岛纯玄所部直臣武士太田弾正、太田江十郎、青方新八等均在城头的防御战中被明军击毙；在南城守御的五岛军与朝鲜伪军几乎全部被杀。
据《再造藩邦志》记载：“賊方輕南面為麗兵，承訓等乃卸裝而進，露明盔甲，敵急分兵拒堵，参將駱尙志持長戟聳身攀堞而上，大呼超登，又有浙兵，拔賊旗幟，立天兵旗麾，賊兵不敢抵當，南門遂破”。
而《日本外史·丰臣氏》也有相同的记述：“承訓欲立奇功償前敗，知我易韓人也，令其兵皆尚韓裝。行長以為韓人也，專拒西北，自率铳手擊卻如松。如松益用大炮火箭，毒煙蔽城，我兵殊死戦，承訓則脫韓裝，露明甲鼓噪而登，行长驚，急分兵拒之。而西北即陷”。
在七星门，明军大炮发射的实心重弹将城门轰碎，右协大将张世爵、游击錢世禎等将领挥军攻进城内。(“提督命发大砲攻之，砲二枝着门楼，撞碎倒地烧尽”)
中协大将李如柏携悍将张应仲、李如梅、李芳春等攻下含毯门，在城头负隅顽抗的小西家臣栖本通高被李如梅毒箭射殪。
左协大将杨元与部将杨绍先组织火器压制守军后，前锋戚金标下家丁把總楊世隆等数百勇士攀钩梯搏城，尽斩瓮城守军，普通门遂破。
攻打牡丹峰倭垒的宿将吴惟忠虽遭日军铁炮弹丸洞甲伤胸，仍与查大受率队鼓勇而上，阵毙守将松浦源次郎(松浦の嫡亲)及岛津家臣森胜介，占领牡丹台要塞。
主帅李如松身先士卒，虽坐骑曾中铳倒毙，犹督军攻入平壤城。（“如松馬斃于砲，易馬馳，墮塹，躍而上，麾兵益進。我師無不以一當百，前隊貿首，後勁已踵，突舞于堞，倭遂氣奪宵遁”。《明史-李如松传》）
小西行长见明军斩关入城，立即挥军展开逆袭，企图趁明军立足未稳之际，以重兵将其逐出城外，却反遭明军炮火密集射杀，部下诸军皆死伤惨重。（“每落炮一發，倭兵辄死傷者數十，然毫不在意，仍蟻聚而突之，直至中炮仆地乃止”。）
而七星、普通二门及牡丹峰等处残余日军，仍凭借战前修筑的筑垒工事死战不退(“邑城內贼军之陣地，各於石築土築之上作為柧壁，前後塗土，其上加第或瓦，壁中穿穴擬放銃筒之地，凶巧莫測”)。
李如松遂令明军各部以各式火器猛烈轰击，并以柴薪焰硝火油将日军巢穴焚烧殆烬(“天兵進戦，纵火烧贼，连放火箭，三穴鳥銃，倭軍盡斃”)。
史记：“其日賊見城守不住，棄城避入民舍，欲效去年七月用鳥铳擊打祖承訓之法，屋內發槍戕殺我軍，不意我兵各持明火毒火等箭齊發焚薰，彼倭緩不及事，以故燒死甚衆，倭被火焚炮擊火箭射死者各無算”。複摅查大受家丁查應奎口報：“初九日於牡丹台側甕城屋內見被火箭焚燒倭死者二三百，平壤城中燒死者無數，焦臭衝天，穢聞十裏，平壤東面江臨城下倭跳城奔走落江溺死者又不计其數”。（明-宋应昌《经略复国要编》）。
日军指挥部风月楼也遭明军猛攻，小西行长见大势已去，遂退守练光亭。
在风月楼负隅顽抗的小西與七郎(行长の弟、二千石俸禄)、小西安東尼奧(行长の従兄弟)、日比谷奧古斯特(行长家臣日比谷了珪の孙)等倭将及部属遭明军火攻而死。（“倭贼躱入风月楼小城，天兵以柴薪四面堆积，火箭飞射一时焚烧俱成焦屍，又有餘倭跳城过江氷陷溺者不计其数”。）
据日史《征韩伟略》记述，当夜，在倭将松浦镇信与小野木重胜等“今欲死守，徒隷爲毒火所熏殺，無供爨炊，我兵疲敝，衆寡懸絕，徒死無益“的劝说下，小西行长遂率残军自冰封的大同江向汉城逃遁。
却又遭李如松暗伏查大受、孙守廉、李宁等部截击，江面的冰层也被炮火击碎，被杀及落水溺死者无算，小西直臣森正助、黑田长政部将久野四兵衛均被追斩。
翌日，明军收复平壤。
是役，明军阵亡千户杨虎，百总陆远等七百九十六人，阵伤参将吴维忠以下一千四百九十二人，在阵射死军马五百七十六匹。
明军共歼灭日军一万三千餘人，其中斩首一千六百四十七级，内有倭将头目二十五颗；
铳砲火箭打烧溺毙死者不计其数；夺得盔甲刀铳等倭器共四百五十二件，倭马二千九百八十五匹。（明-宋应昌《经略复国要编》）。
平壤之战，日军损失惨重，据日方战史《日本战史-朝鲜役》记载，在小西行长第一番队撤至汉城后，经军奉行石田三成检点，所部剩余人员只有六千六百二十九名。这其中还不包括军监小野木重胜、岛津以及内衫等部的损失。
另有数据表明，小西行长仅率不满五千的残部败出平壤城。（小西檢城兵不滿五千，糧盡營毀，遂分路涉大同江遁去。日-川口长孺《征韩伟略》）
助纣为虐的四千朝鲜伪军，大部分在破城之后也遭诛灭。（天將曰：“大同門拒戦，倭軍阵中射伤我之家丁及马匹，俱是爾国之箭，爾國忤逆之人甚惡，临阵俱斩之”。
