三日之後，軍馬整備已畢，李如楠辭別了妻妾兒女，親率大軍至旅順口，搭乘海船從仁川登陸，向東前往南原城。
李如楠大軍在仁川登陸的同時，南原城之戰已經打響，鎮守南原城的是明軍副總兵楊元。
之前楊元已經接到了麻貴的親筆信，信上說：倭寇來勢兇猛，軍勢大於我軍，我軍不宜與其決戰，目前是要挫其銳氣，所以各部各司其職，我無兵派你，其他各部亦無兵派你，你須抵擋七日，七日後可自行放棄。”
楊元在看過信後，也是心中發苦，如今防守南原的明軍和朝軍各三千，而小西行長的一萬四千人馬帶着收割的莊稼離距離南原只有一天的路程了，宇喜多秀家的部隊還在開進中，最終南原的六千守軍將會面對五萬日軍的瘋狂進攻。
楊元和全羅道兵使李福男對整個佈防進行了最後一次巡查，此次在南原以南共佈置了三道防線，連綿三十里。
第一道防線由五百名明軍和二百名朝軍防守，以弓箭、石塊防守爲主。
第二道防線由五百名明軍和三百名朝軍防守，以鳥銃、弓箭防守爲主。
第三道防線由一千名明軍和五百名朝軍防守，以火炮、投石機、近距離搏殺爲主。
剩餘一千名明軍和二千名朝軍守城，城中百姓數日前已經疏散完畢。
前些時日，楊元派遣二百明軍騎兵南下巡哨，途中遇到日軍斥侯一百人，明軍立刻將日軍圍住，一番射擊後，日軍斥侯丟下幾十具屍體撤了回去，明軍也不糾纏撤了回去。
轉天，小西行長就親率大軍到了南原城以南五十里路處安營紮寨，當即便命令松浦鎮信帶着兩千日軍開始向第一道防線發起衝擊，聯軍在第一道防線上築起一米多高的土牆，土牆外佈滿了藜障。
日軍攻上前來，聯軍一陣弓箭，日軍倒下數十人，日軍用鐵炮一陣射擊，打死十幾個明軍，松浦鎮信所部連續衝鋒三次都被擋了回來，雙方互有傷亡。
午後，宗義智和松浦鎮信帶着五千人馬向第一道防線發起更猛烈攻擊，衝在最前面的日軍舉着盾牌向前衝，明軍和朝軍用石塊砸向日軍，土牆外的藜障阻擋了日軍前進的步伐，一輪衝殺後雙方各有傷亡。
日軍稍事整頓後，開始抱來乾柴焚燒土牆外的藜障，熊熊大火頓時薰得明朝聯軍睜不開眼睛，等待藜障燒的差不多了，日軍準備發動新一輪攻擊，此時十里外的地方燃起了信號彈。明朝聯軍騎上快馬開始撤退，臨撤退前點燃了三箱火藥的引線，日軍見聯軍開始撤退便迅速越過土牆追趕，“轟！”的幾聲巨響，幾十個日軍被炸死。從第一道防線上撤下來的聯軍直接返回南原城休整，第一道防線失守後，小西行長迅速越過第一道防線安營紮寨。
過了一日，轉天清晨，日軍開始向第二道防線發起進攻，小西行長在中，宗義智在左，松浦鎮信在右，數千日軍吶喊着向二道防線衝去，接近防線的時候，雙方鳥銃、鐵炮“霹靂啪啦”打在一起，每個明軍都配備有鳥銃，兩人裝藥壓彈，一人發射，在明軍密集的槍彈和朝軍密集的箭鏃射擊下，成片的日軍倒下。
小西行長擔心如此一來傷亡太大，便命令日軍以二百人爲一組，輪流上攻，試圖消耗明軍彈藥。戰鬥一直進行到傍晚，日軍已經被打死九百，明軍陣亡二百，朝軍陣亡數十人。此時，明軍彈藥已經消耗殆盡，日軍的進攻卻剛剛開始，聯軍都在等待撤退信號的發出，終於一顆信號彈打入天空，二道防線守軍迅速向城內撤去。
小西行長也不休整，帶領所部兵馬立刻蜂擁至第三道防線前面，第三道防線指揮是副將方時輝，明軍在最後一道防線前架起數十門火炮，還有數十臺投石機，一場惡仗隨即打響。
小西行長進行了數次試探性攻擊，很快就被明軍火炮打了回來，望着明軍黑洞洞的炮口，小西行長猶豫了，雙方都在那裡對峙着，小西行長終於忍不住了，一聲令下，前排日軍拿着鐵炮，後排日軍端着倭刀向前衝去。數十門火炮齊發，爆炸出來的鉛塊、石子扎入日軍士兵的身體內，許多日軍倒在地上哀嚎。
前面一部分日軍離防線近了，朝軍立刻用鳥銃和弓箭射擊，在明軍炮火的猛烈轟炸下，日軍紛紛撤退，小西行長拔出倭刀砍翻幾名還是制止不住部隊的後撤。是役，日軍損失慘重，夜裡，日軍開始來偷屍體，朝軍一陣弓箭射擊，日軍又丟下十幾具屍體。
南原城攻不下，宇喜多秀家大軍眼看就要趕到，小西行長也有些急了，他現在可是戴罪立功，之前哄騙豐臣秀吉議和，險些被豐臣秀吉給砍了腦袋，如果不是有同僚求情的話，也輪不到他統領大軍。
小西行長現在是急於立功，好重新贏得豐臣秀吉的信任，又過了一日，小西行長在第三道防線前集結了全部兵馬。
清晨太陽升起，第三道防線前聚集了一片日軍，小西行長親自擂鼓，日軍吶喊着向前衝去，很快就衝破了明軍的火炮封鎖線，直向防線衝來，此時從後面站起一排火銃手掃射過去，衝在前面的日軍紛紛倒下。經過了一上午的鏖戰，日軍數次衝擊，到了中午明軍炮彈所剩無幾。
中午日軍吃完飯休息後又向聯軍陣地衝來，一個時辰後，有馬晴信帶着五百名日軍終於衝破了聯軍第三道防鎖線，守在前面的幾個明軍火炮手瞬間被日軍砍翻，後面的明軍都亮出了腰刀跟日軍血刃在一起。鎮守南原的三千明軍都是遼東兵，單兵作戰能力都比日軍出色，眼看小西行長的大軍都衝上來了，方時輝命三百明軍帶着火炮後撤到南原城內。剩下的五百名明軍和五百名朝軍跟小西行長的一萬人展開肉搏，經過一個小時的激戰，一千名聯軍包括方時輝在內全部陣亡。
攻破了明朝聯軍的三道封鎖線，小西行長隨即率領一萬人馬來到南原城下。此時留在城內的明軍有一千八百人，朝軍有二千三百人，楊元已經加固了城牆，重點佈防在西、南、東三門。
小西行長部並沒有立刻進攻，而是在伐木做梯子，到了下午，宇喜多秀家的三萬五千大軍已經到達，南原周圍聚滿了日軍。
傍晚時分，日軍開始攻城，近五萬日軍如螞蟻一般向南原城奔去，城上聯軍開始向下扔石頭，放箭，將成捆燃燒的柴草扔下去，並用火炮對遠方日軍猛烈轟擊。抵達城下的日軍架起梯子往上爬，城上的石頭如雨點般砸下來。
戰鬥一直進行到深夜，宇喜多秀家指揮着大軍往前衝，城上聯軍扔下來的石頭和射出去的箭已經開始有些抵擋不住日軍的進攻，已經有幾十個日軍爬上城來，城下日軍也踩着屍體向上爬。
此時，南城牆上擺了一排的水缸，水缸裡都是油。楊元命令明軍將油全部潑下去，地上的油順着山勢往下流，然後明軍用火箭將地上的油點燃，頓時南城牆外五十米內的地方燃起了熊熊大火，成批的日軍被燒着，城下日軍被燒得拼命哀嚎，哀嚎聲十里外都聽得見。
日軍見攻不下，便停止了進攻，城內的明朝聯軍也已經十分疲憊，第二天中午日軍的攻擊又開始了，這回參加攻擊的是日軍後方部隊。日軍後方部隊一直是以逸待勞，一萬日軍開始向南門擁去，日軍用盾牌頂着頭部開始用木樁撞擊南城門，其餘日軍仍舊用梯子往城牆上攀爬。
楊元都親自上陣，掄起大刀砍殺爬上來的日軍。戰鬥一直進行到傍晚，城門已經被撞破，城門後有很多障礙，日軍暫時不能前進。
南原城雖然暫時無恙，可已經難以久守，無奈之下，楊元只得下達了撤退命令，此時城內明軍剩下七百人，朝軍剩下二千人，爲了保證撤退的成功楊元留下四百明軍和三百朝軍拖住日軍，然後帶着三百明軍和一千七百名朝軍以及火炮離去，李福男和南原府使任鉉和明軍副將鄭文圖誓與城池共存亡。
楊元剛走，日軍就攻入城內，七百名明朝聯軍面對數萬日軍，最終全部戰死。
南原保衛戰的戰報傳到漢城麻貴手裡，麻貴驚道：“陣亡二千七百人！不行，這仗不能再這麼打，傳令陳愚忠撤回王京。”
陳愚忠駐守全州的三千騎兵撤走後，日軍右路軍加藤清正部隨即佔領全州，接着日軍又佔領了黃石山、金州、公州，全羅道大部分已被日軍佔領。
直到此時麻貴纔想起了之前接到消息，已經在仁川登陸的李如楠所部，急忙命人前往通知李如楠，南原城自然是去不了了，讓其火速來漢城匯合，重新整頓軍馬，再與倭寇決戰。