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配合明军作战的朝鲜军队在李益、金应瑞等人的带领下进攻城东，被日军守将宗义智击退。当时，小西行长被困在平壤城外的牡丹台，但明军并没有得到这一个有价值的情报，只派出一部分兵力佯攻牡丹峰上的一千多名日军，日军用鸟铳还击，明军马上退却，平壤城内日军蜂拥而出，抢夺明军掉下的十余面铁盾，乱成一团。明军乘机回击，日军慌忙逃窜入城。小西行长亦借机乘乱从牡丹峰突围而出，回到了平壤城内。当晚，明军用火箭击退了夜袭的日军。
正月初七，三营的明军又向平壤的普通门发起试探性的攻击，用佯退的战术吸引部分日军出城追击，然后再回师，斩首三十余级。
正月初八，明军环绕着平壤城的西北面向日本发起总攻，诸军鳞次渐进，尘土飞扬。其中，游击吴惟忠、副总兵查大受攻牡丹峰；中军杨元、右协都督张世爵攻七星门；左协提督李如柏、参将李芳春攻普通门；副总兵祖成训、游击骆尚志与朝鲜兵使李隘、防御使金应瑞等攻含毬门等等。副将祖成训利用日军轻视朝鲜军的心理，故意伪装成朝鲜军，企图打日军一个措手不及。
各路明军相继用大炮及火箭一齐射击敌人的阵地。佛郎机、虎蹲炮等大炮的炮声“响如万雷，山岳震摇”，硝烟弥漫数十里，天地晦暗。火势随着西风漫延入平壤城内。明军发射的一些火箭据说是有毒的，有的日军闻了毒烟会头昏呕吐，而攻城的明军则含了解药。
日军在炮火及火箭的压制之下顽强地用发射弹丸、砸下大石、泼洒汤水等方法使攻城的明军一度退却。李如松率领五百余骑兵来回指挥，并亲手杀死了一名退下的士兵，示众于阵前。
游击骆尚志将铳炮挟于腋下，大呼连放，不顾日军在城上施放的枪弹及巨石，率领浙兵强行登上了含毬门。而李如松直接下令明军用二门大炮轰碎了七星门的城门，明军步、骑乘胜进入城内。游击吴惟忠也率军攻上了城外的牡丹峰。各路明军纷纷突破了日军的第一道防线，李如松督令平壤城内的明军搬运柴草，四面堆积在一些日军据守的房屋外面，放火将其焚烧成灰烬。
但是，日军早已经在牡丹峰、七星门、普通门、风月楼及平壤城内其它地方筑了大量坚固的工事。残余日军藏身于土窟之内，一边躲避着明军的炮火，一边用鸟铳穿过土窟的洞穴而向外不断地射击，拼命抵抗。明军一时难以攻下。李如松的坐骑被鸟铳击中、吴惟忠的胸部中弹负伤、而骆尚志在登城时也被巨石砸伤足部。仗打到这个地步，明军已经伤亡数千了，只好暂时休战，班师回营。
经过一天的激战，日军损失惨重，小西行长见援军不至，便有意突围，下令一位名叫大石荒河助的勇士，脱下铠甲，身着单衣攀登上高楼，冒着明军发射的弓矢炮弹侦察出一条具体的突围路线来。而这时候的李如松为了避免继续攻城而加大伤亡，也派出使者要求日军统帅小西行长退出平壤城，小西行长随即予以答应，率“不满五千”的残部退出了平壤（川口长孺《征韩伟略》卷二），狼狈南逃。明军及朝鲜军堵截、伏击了一部分南逃的日军，随后，光复了黄海、平安、京畿、江原四道。
据统计，明军仅仅斩获日军的首级就达到1647人。但日军的伤亡总数不止这些，其连同被炮火轰炸、硝烟薰烧及其它原因而死的，总损失超过万人以上。而明军阵亡796人，受伤1492人。(宋应昌《经略复国要编》之《叙恢复平壤开城战功疏》)。
光荣属于大炮
此战，充分表现出火器的优越性，而明军的大炮在气势上完全压倒了日军鸟铳，赢得了荣誉。《（朝鲜）宣祖实录》之卷三十五记录了朝鲜国王李昖与其臣下李德馨进行的一番意味深长的问答，李昖问道：“铳筒（指日本人的鸟铳）之声，不与天兵（指明军）之火炮同耶？”李德馨回答：“倭铳之声，虽四面俱发，而声声各闻，天兵之炮，如山崩地裂，山原震荡，不可状言……”李昖赞叹道：“军势如此，可不战而胜矣！