文禄之役初期日军攻占釜山后，从肥前名护屋、对马至釜山的海运即成为日军的海上交通线，釜山遂成为日军补给之重地。而朝鲜水军此前一系列作战中只是打击了日军各番队之船手众，并未对日本跨海运输线造成威胁。
数次以众击寡的胜利让李舜臣认为日军不堪一击，为此，李舜臣准备以全部军力攻占釜山。（“舜臣曰，釜山为倭军之根本，如进击而夺之，则敌军必败“。）
8月末，李舜臣、李亿祺、元均率军一万二千，战船一百六十九艘（含三艘龟甲船与七十四艘板屋船，九十二艘狭板船）进击釜山。双方在“文禄の役“中最大规模的海战拉开了序幕。当时驻泊于釜山的日本水军除了九鬼嘉隆、胁坂安治等部残军外，又得到从壹歧岛开来的藤堂高虎、加藤嘉明、村上元吉及浦部警固衆若林鎮興(大友家の海賊大将)等部增援。
日本水军总兵力达八千人，军船二百六十艘（含四十余艘安宅船、八十多艘关船）。因日式战船结构问题，无法安装大型火炮，遂在岸上筑起十余个砲垒（石垣の鉄炮冢），安放历次战斗中缴获的大量朝鲜铳筒，以应对朝军攻势，同时以上万陆军支援水军作战。战前，屯驻釜山的日军最高指挥官，第九番队总大将丰臣秀胜重病卧床（有病于锦衣衞施毒一说），这对日军士气产生不利影响。
1592年9月1日，驻泊于多大浦、西平浦前方绝影岛附近的淡路水军警戒船只发现了逼近釜山的朝鲜水军，立即用大筒向朝军射击，并发出警报。随后驻守在釜山港丸山与小早川倭城砲台的上日军开始自城中、船内、山上以各式火器向朝军船只射击，进行防御作战。
李舜臣率舰队迎着日军倾泻的火力发起强攻，两军数百艘战舰在釜山海域开始激战。阿波水军的新任统领森甚五兵卫村重(此前在唐项浦海战中战死森村春の甥)与能岛水军枭将村上元吉均身先士卒，率死士驾驶数十艘纵火船对攻入港内的朝鲜战船发起突袭，浦部若林的警固队亦从侧翼包夹。
突前的朝鲜龟甲船遭到船头插有倒须钩钉，载有焰硝火油的日军哨舠撞击无法摆脱，布满尖刺的船身也被日军死士抛射浸润火油的毛毡所挂住，以“焙烙火矢”引燃。前锋鹿岛萬戶(正四品)郑运、僉正尹思恭战死。
见前军受挫，李舜臣率主力板屋船对日军舰船实施猛烈炮击，遭到朝军炮火攒射的日军无法抵御，遂驶向岸边在岸上火力支援下与朝军对垒。最终，李舜臣部在火药弹丸消耗大半后，收兵撤往加德岛，返回丽水本阵。（倭贼登山俯放丸箭，如雨如雹，大鐵丸大如木果者，水磨石大如鉢塊者，多中我船。）
此战，双方均称己方为胜利者。日方称做好防御准备的日军击败了朝鲜水军，并使其遭受严重损失，李舜臣几乎被俘，于惊悸中狼狈逃回加徳岛。(“村上元吉並森甚五兵衛，以蝴蝶阵環攻鮮军，浦部警固衆戦舩亦至，火船骤出，烈焰旋起，焚包鐵盲舡，舜臣潰奔麗水”。）
朝方史料记载，李舜臣攻釜山不克，毁敌空船百艘而还，萬户鄭運殁于国事，追赠从二品兵曹判書。（“李舜臣等攻釜山賊屯，不克。倭兵屢敗于水戦，聚據釜山東萊列艦守港。舜臣與元均悉舟師進攻，賊斂兵不戦，登高放丸。水兵不能下陸，乃燒空船百余艘而退。鹿島萬戶鄭運居前力戦、賊之大鐵丸，貫穿頭頂而致死，贈兵曹判書”。李朝《宣祖實錄》）
趙慶男在其所撰《亂中雜錄》中，曾言及朝鲜水军受挫之事。(“湖嶺水兵諸將，討賊于加德島，鹿島萬戶鄭運死之，我軍退還”。）
经此一战，李舜臣才发觉凭自己的力量无法击败屯驻釜山的日军重兵集团。只能退兵休整，等待明军的支援。(“時賊以重兵久居釜山，改建城壁樓櫓，盤拠甚壯。舜臣知不可易攻，乃引兵還以待天兵”。朝鲜《閔氏壬辰錄》）
釜山海战，九鬼嘉隆、胁坂安治等虽以海陆联合作战取得釜山防御战的成功，但与李舜臣多次交战中也折损颇重。据日方统计，在“文禄の役”中，日本水军损失约三四千人。原有水军九千二百人，剩余五千四百六十人，减员三千七百四十人。其残军数据如下。九鬼嘉隆部八百三十四人、藤堂高虎部壹千四百七十三人、肋坂安治部九百人、加藤嘉明部三百壹十四人、來島通總部五百五十人、堀內氏善部五百三十四人、杉谷氏宗部五百七十四人、桑山壹晴部五百零四人、菅達长部壹百零六人（《日本战史-朝鲜役》）。
这表明除去病疫之外，日本水军在与李舜臣的历次交战中阵亡约二千多人。此外，日本各番队执行运输补给的荷船、廻船上损失的船手衆以及助纣为虐的朝鲜弓手与櫂夫也损失约四五千人。李舜臣的胜利原因，首先在于多次交战中，日军兵力、戦船数量均少于朝鲜水军。其次日式军船没有龙骨的船体质量也不及对手。故而，在海战中日军处于完全劣势地位。
朝鲜以大明福船为蓝本建造的板屋船防护力强，采用结阵炮击、冲撞战术制敌。突击的龟甲船穹隆背部覆盖的片鐵，可以有效的抵御日方小口径投射火器的攻击，林立的铁锥也阻止了日军所擅长的跳帮战术，导致日本水军累次失利。
日方曾记述道：“朝鲜人水战大异陆战，且战船大而行速，楼牌坚厚，铳丸俱不能入，我船遇之，尽被撞破“。加藤嘉明曾在战纪中记载了与朝鲜龟甲船交战中的窘况。（“敵艦大小百余艘來攻，火炮火矢如雨，我軍亦發大炮，互有殺傷。自辰及酉，敵舩有以全鐵裝者，而我炮不能傷。而敵軍火箭用長大勁幹鐵箭，咫尺而發，我將帥在樓櫓者殆危急“。川口長孺《征韓偉略》）
李舜臣虽然取得赫赫战果，但自身消耗也较为严重，其三道水军将佐就战死数十人。（倭乱以来，鹿岛万户郑运，大靜縣監崔天寶，兴阳县监金斗剑，左衞将韩英世，顺天代将崔弼，知世浦萬户韩百禄，僉正尹思恭、金大春、金涵字、徐德崇、郑浩、朴夢周，主簿崔仲福、申龍虎，奉事朴大福皆殁于王事。）
船械兵员亦戦损颇多，已无力再发动大规模的海战。（“格兵射夫原數六千二百餘名，去今战亡數及病斃，防踏一船別軍金斗山、虞候船放炮鎭撫张彦己、同鎭龜船格軍金允方、蛇渡一船軍官林弘楠、水軍射夫金億水等六百餘名。而凡此死亡者，俱是壯健能射，慣熟舟楫之輩”。《李忠武公全書》）
为此，李舜臣在釜山海战后前往甑岛与对朝鲜进行援助的大明水师接洽，以获所需补给。（“原任标营游击吴天赏、守备张良相皆熟于海务，才俱可用，委領各船赴援朝鲜御倭一事。随船火器军械弐千六百件，药铅子三千四百斤”）。
朝鲜备边司亦奏称所需军火补给的重要性。（“龟船不足则多载佛狼机、火箭器具，此乃最为救急之良策”。李朝《宣祖實錄》）
李舜臣的《亂中日記》曾提到其军中当时编有部分中方作战人员，负责操纵火炮训练士卒。(“癸巳五月二十六日已卯，雨。朝唐人乃浙江炮手王敬得、粗解文字、對語有時不能解聽、甚憾”。)
李舜臣在力战卫国之际，也心系王室安危。当得知李昖放弃汉城北逃，一路屡遭日本追兵威胁之时，曾上书建议朝王李昖避祸于水师营中。（舜臣曰：“在吾之职，当以龙舟，浮海迎驾，虽至不幸，君臣同死我国之地也”。《李忠武公全書》）
然而，秉性多疑的李昖又岂能将自身安危交于统兵将领手中。但是，朝鲜王廷还是鉴于李舜臣的忠勇。在“釜山海战”后不久，加封李舜臣为从二品的三道水军统制使（相当于朝鲜水军司令）。
此外，将与李舜臣素有嫌隙的元均调任忠淸左道兵马节度使，改打陆战。以避免二将冲突，影响战事。（“均耻为舜臣次将，不受节制，舜臣累状辞免。朝廷累使元帅，査其功罪，均益肆愤骂，言皆丑恶，舜臣亦言均无功状，而有一款失实。朝廷多右元均，遂竝劾之，上更令备边司平停，以庆尙右水使元均移拜忠淸节度使，只递均为陆将，责舜臣，戴罪自效於兵”。李朝《宣祖實錄》）
日军虽遭受一定损失，但是取了得釜山防御战的成功，从而使釜山成为一个安全的海运枢纽，在戦争中发挥着巨大的作用。
“釜山浦海战”的七天后，1592年9月9日，岐阜宰相(正三位)丰臣秀胜(丰臣秀吉の甥)因重疾不治死于釜山军营，年仅二十三岁。这是死于朝鲜的第一位日本大名，本就男丁凋零的丰臣氏，为侵略战争又付出了一笔沉重代价。
