总兵查大受率领骑兵居后，攻击北要牡丹峰；中军杨元、右军张世爵领兵攻城西七星门；左军李如柏（李成梁另一）、参将李芳领兵攻城西普通门；祖承训率领明军乔装为朝鲜军麻痹日军，力攻城南芦门；主帅李如松督阵。李如松同时署明军的王牌武虎蹲炮、大将军炮、佛郎机炮，据说威力最大的大将军炮就超过了一百门，届时全力轰击日军阵地。明军主力将攻平壤的南、西、北三个方向，东面给日军留退军路线。

一月八日晨，平壤之役打响了。随着主帅李如松一声令下，金鼓声大作，喊杀声四起，明军开始攻城。明军劲弩齐发，炮齐轰，一时火焰蔽空，震天动地。日军火绳枪虽然略优于明军火统，但日军却没有明军威力大的火炮。明军火炮的铅弹不断落敌阵，给日军造成很大杀伤。日军战斗力非常顽，拼命死守，火兵手执火绳枪雨般向近距离攻城的明军。明军略微受阻，后续攻击队继续攻城。当时战况十分惨烈，神机营参将骆尚志冒险登城，腹被石击中，仍然立不退。年近60的老将吴惟忠，中弹，犹自大呼督战。李如松的坐骑被敌火绳枪手击毙，李如柏的盔中弹，兄弟二人都置之不顾，愈战愈勇。主将如此奋勇，何况士卒？

祖承训率领的明军率先突破城南的芦门。日军一直以为芦门方向的是战力很弱的朝鲜军，因而没有重署兵力。近距离时日军才发现这是伪装为朝鲜军的明军，这时明军手中的火统已经开火，日军纷纷倒下，开始败退，芦门被明军攻破。接着谈门、普通门、七星门、牡丹峰也相继被明军攻占。小西行长一看大势已去，率领残兵退守城北一隅风月楼。夜，日军自东南方向突破，渡过大同江向王京退却。沿途早有李如松署的李宁和查大受伏兵等候，一阵掩杀，击毙数百日军。

平壤的收复有着相当大的战略意义，整个朝鲜半岛的战争形势就此逆转。平壤之役是很典型的攻战，颇近代化战争的特征。此役中明军有非常杰的表现。首先明军以优势兵力和火力主攻城西，另以奇兵伪装成朝军攻城南，这署完全乎日军的意料之外。其次，城东给日军留退路，使得日军无死守之志。第三，明军动用了当时在世界上比较先的火炮，给日军以极大的杀伤和震撼。明军攻城时，曾有日将大友义统率领一支队来增援小西行长，结果被明军震天动地的炮声所吓阻，不战而退。第四，在日军撤退路线上设有伏兵，使日军再受重创。李如松就凭此一战，威名大振，可以说平壤大捷超过其父李成梁在辽东任何一次战役。

有些日本史料极力淡化平壤之役。据日本人的记述，日军此役似乎败的很面。日军由于平壤和王京汉城距离太远，本就打算放弃。在明军攻城后，小西行长特意修书李如松，日军愿意退去，于是乎日军大摇大摆，安然退到了汉城。这说法显然有“讳言”和“粉饰”败绩之嫌。在明军大的炮火面前，日军之败是必然的，无论如何也面不起来的。事实上，因援兵迟迟不来，平壤大已被明军攻占，日军军粮、兵营悉数又被明军焚毁，小西行长看无法固守，遂与日军诸将商议，连夜撤回汉城。迫于明军的压力，孤军的日军第二军加藤清正也撤回到汉城一带布防。据《日本战史》，平壤之役后，小西行长减员一万一千三百余名，只余六千六百人，减员近三分之二。

明军修整十天后，李如松乘胜军，继而收复旧都开城和多座城池。朝鲜三都十八，已收复平壤、开城二都及黄海、平安、京畿、江源、咸境等五。大军继续向南开，直迫汉城。

正月二十四日，明军的先队查大受共3千骑在汉城郊区与日军加藤光泰发生激战，日军败退。后日军主帅小早川隆景率军2万将明军查大受包围在碧蹄馆。在碧蹄馆一战中，明军3千骑兵，抗击了数倍于己的日军，一者依靠明军死战，二来明军骑兵队备了佛郎机火炮战车，明军依赖火炮优势，同时以战车为工事，向敌阵不断施火药助推的箭，使得日军始终无法近。后李如松率领的1千骑也杀战团，战斗非常激烈。《明史-李成梁传》载，当时有一武艺的金甲倭将拍直取李如松，李如松力战不支，裨将李有升上前护主，被打下来，一拥而上的日军武士将其砍作数段。要关金甲倭将被李如松的兄弟李如梅一箭于下。之后明将杨元率领1千明军骑连夜前来救援，日军以为大明军赶到，率军退回王京。碧蹄馆之战历时一天一夜，明军骑死伤过半，日军也付了数千伤亡代价。