萬曆二十六年九月二十二日，麻貴率領明朝聯軍二萬五千人抵達蔚山島山城，此刻島山城內加藤清正兵源經過補充已達一萬人。
明朝聯軍又一次把島山城圍了個水泄不通，日軍在島山城外築了幾個工事，幾番炮擊，明朝聯軍吶喊著向外圍工事衝去，外圍的日軍迅速撤到了城內，麻貴隨即命令撤軍。
「這個島山城又加高了，而且城上還有上次攻打島山時我們丟失的火炮。」副將李芳春說。
「對，如果攻打起來會比上次更難。」麻貴說。
「提督有何良策？」李芳春問。
「圍，圍死他，我軍糧草充足，怕什麼。」麻貴說。
聯軍開始在島山城外紮下營寨，一連五天，麻貴並未發起進攻，加藤清正已經不耐煩了。
二十七日夜裡，島城城門悄悄打開，數千日軍端著鐵炮向明軍大營奔去，剛來到明軍大營外，營中一聲「長哨」，無數鉛子和集束火箭射來，日軍立刻趴在地上用鐵炮還擊，雙方「噼里啪啦」打在一起，一番火器的交鋒過後，明軍軍營中響起鼓聲，明軍抽出佩刀向營外衝去，日軍也站起來拔出倭刀，雙方戰在了一起，黑夜下的島山城殺聲震天，明軍出動了騎兵從兩面向日軍掩殺過來，日軍向城內退去，明軍乘勢掩殺，明軍的騎兵夾雜在日軍的隊伍中砍人，日軍退到了一城內，大量的明軍也擁入一城內，此時，二城內的日軍紛紛出城殺向明軍，雙方在一城與二城之間又是一場混戰，二城上的留守日軍也在城牆火把的照耀下對明軍進行射擊，進入一城的明軍只好又退了出來。一仗下來，雙方各戰死數百人。
二十九日，西生浦方向的七千日軍在黑田長政的率領下開始增援島山。麻貴分兵一萬讓吳惟忠、牛伯英在東萊以北阻擊日軍，雙方拉鋸了數日，黑田長政大軍也紮下營寨，跟島山城互為犄角。
「島山城城高堅固，易守難攻，且倭寇糧草充足，我軍在此已無意義，我看還是撤回慶州，等那兩邊的進攻有了結果再說。」麻貴對眾將說道。
聯軍退回慶州後，黑田長政的增援部隊也撤回了西生浦。島山城內的日軍開始三三兩兩的撤向釜山，準備回國，不多久，麻貴巡哨士兵發現日軍的動作，麻貴便派兩千騎兵駐紮在島山城以西監視日軍動向，島山的日軍遂停止向釜山撤退。
中路大軍在李如梅赴遼東任職後，由董一元領導。董一元、張榜、權慄、慶尚道右兵使鄭起龍率領三萬明朝聯軍沿忠州、尚州、星州一線殺奔晉州而來，晉州的幾百名日軍在明軍的炮火下迅速撤退。明朝聯軍隨即渡過南江，連下望津、永春、昆陽三寨，直逼泗川老城。
九月二十八日夜裡，攻擊泗川老城的戰鬥打響。
此時，泗川守軍島津義弘的九千守軍分布在泗川老城和新城兩處，老城由川上忠實率領二千日軍鎮守。日將相良豐賴對川上忠實說：「島津將軍讓你迅速撤到新城去。」
「我正欲與明軍決戰，何來撤退，鄙人誓與此城共存亡。」川上忠實說。
當天夜裡無數的火把從北面而來，馬蹄聲鋪天蓋地，明朝聯軍來到泗川老城外隨即展開攻擊。本就破敗不堪的老城城牆在明軍炮火下更是搖搖欲墜，炮聲停止後，數千明軍扛著梯子向老城奔來，川上忠實指揮著日軍在城牆上用鐵炮還擊，並用石塊、檑木砸向正在攀梯登城的聯軍，川上忠實和相良豐賴在城頭上親自指揮戰鬥，兩千日軍死死的守著泗川老城。明將李寧親自登城戰鬥，被日軍用石頭砸中頭部而死。明朝聯軍的攻城一夜都沒有停止過，戰鬥進入膠著狀態，不少聯軍登上城頭跟日軍血拚，天剛蒙蒙亮，戰鬥已進入城內。剩下的日軍在城內依託各個據點阻擊聯軍，日軍的鐵炮和弓箭對入城的明朝聯軍造成很大傷亡，董一元和張榜只好指揮著眾軍在城內展開巷戰，步步為營，在明軍火炮轟擊下，城內民房、工事成座成座被摧毀。此時，川上忠實渾身都是傷痕，全身衣衫被血染透，無法站立。
「明軍火藥充足，我軍無法抵擋，將軍還是撤回新城吧。」相良豐賴對川上忠實說。
「全軍戰死在這裡，決不後退。」川上忠實說。
相良豐賴隨即命令幾十個日軍背著川上忠實撤向新城，自己帶著剩下的兩百多個日軍向明朝聯軍殺去，很快城內戰鬥聲停止，城內已經沒了抵抗，相良豐賴和剩下的日軍全部陣亡。
拿下老城的明朝聯軍馬不停蹄的向新城奔去，只見新城是一座新建的倭城，城牆高大堅固，矗立在海邊，新城兩邊有兩座小的倭城，三座倭城遙相呼應，並在三座倭城的周圍挖下深壕，引海水灌之，作為護城河，新城西面的海灣里停泊著數百艘戰艦。明朝聯軍在泗川新城北面紮下幾百個營帳，打算作長久打算。
九月三十日凌晨，明朝聯軍在新城北面擺好陣營，只見旌旗招展，槍如鐵林，將士們騎馬跨刀，二十座雲梯矗立在那裡，八百門火炮威風凜凜的擺在陣前。泗川新城上也是黑壓壓一片，城牆上已經堆滿了各種守城器具，日軍的一線部隊，第一預備隊，第二預備隊，第三預備隊已經各就各位，島津義弘在城頭上俯視著下面的明朝聯軍。
董一元、權慄端坐中軍大帳前，董一元開始調兵遣將。
「師道立、柴登科你二人各帶兩千兵馬阻擊來自兩座小倭城的援軍，藍戚芳率領車營協助攻擊，彭信古率軍三千作為攻城主力，茅國器率兵五千作為預備隊。」董一元調遣完畢後，諸將各領令牌前去布置。
攻城命令下達後，明軍的八百門火炮開始向新城發去，有的炮彈落到護城河裡激起一柱柱水花，拉起來的弔橋很快被打掉，城上的日軍被火炮打的抬不起頭來，紛紛龜縮在那裡，一車車的炮彈援援不斷的運過來，連續一個時辰的炮擊，整個泗川新城上空硝煙瀰漫，城牆上印記斑斑，守城的日軍很多被炸的血肉模糊。
炮聲停止後，彭信古、葉邦榮率領明軍和朝鮮軍向新城北城發動攻擊。參將彭信古的軍中有幾十名非洲人，這些非洲人是葡萄牙人從非洲販賣至澳門，後又被賣至軍中，彭信古將這幾十名非洲人編成黑兵營，這些非洲兵忠誠可靠、作戰勇猛，精通火器鑄造和運用。明朝聯軍推著雲梯或扛著梯子向新城奔去，到了護城河邊眾軍鋪上木板開始過河，城上的日軍用鐵炮射擊，城下士兵用盾牌遮擋，在日軍的打擊下，不斷有聯軍士兵跌入河內。明朝聯軍過了護城河，開始架設雲梯展開攻擊，十座堅固的雲梯被搭在了城牆上，這種雲梯展開後寬度是普通雲梯的三倍，將雲梯的上半部向兩邊展開，即形成個三個相連的雲梯，除了十座雲梯，還有幾十架普通長梯，只見泗川新城北城一面擺滿了梯子，一隊隊的士兵左手拿盾，右手拿刀向上爬，城下的軍士用火槍和弓箭掩護。
城樓上的日軍防守嚴密，第一預備隊全是火炮手，第二預備隊全部是刀手，兩個預備隊全部用來解決攀登上來的士兵。守城的日本士兵瘋狂的抵擋著明朝聯軍的進攻，城牆上從西到東排著一溜拋石機，一堆堆的石塊通過拋石機拋了下去，日軍輪換著用鐵炮和弓箭向下射擊，明朝聯軍絡繹不絕的從梯子上跌落，源源不斷的聯軍跨過護城河向城下擁來，還有軍士推著撞城車在那裡撞擊著城門，此時，泗川新城的北城門已經被撞開一個口子，城後的日軍又連忙將口子堵上，並在城門口壘石塊和巨木。眼看明軍的攻勢越來越急，城上的日軍將成捆燃燒的柴草和稻穗扔了下來，城下頓時烈火熊熊，十座攻城的雲梯頃刻間燃起四座，其他的梯子也紛紛燃了起來。董一元急令撤軍，眾軍拖著燒著的梯子退了下來，董一元又命隨軍工匠搶修。
十月一日，茅國器、方時新率領大軍攻城。方時新率領兩百明軍奔到新城城門外，開始放火燒城門，日軍在城頭上將石塊、檑木放下，明軍用盾牌抵擋。明軍撤退後，隨即推上來一輛攻城車，兩名士兵待在攻城車裡用鐵錐撞擊著城門，城上日軍抬著大石條向城下攻城車放去，攻城車瞬間被壓垮，兩名士兵也被壓死在裡面。
接著，幾十個明軍提著削尖的圓木奔上來狠命的撞擊城門，如雨的石塊紛紛落下，正在撞擊城門的明軍紛紛被砸死，後面的明軍跑上前來提起圓木替上被砸死的明軍繼續撞，有的明軍用盾牌遮擋，大的石塊砸在盾牌上立刻將舉盾的明軍砸趴在地，明軍爬起來繼續撞擊，其他明軍為了掩護攻城明軍紛紛對著城上日軍射擊。在被砸死幾十個明軍後，新城城門終於被撞毀一扇，明軍將一桶炸藥扔了進去後迅速撤退，「轟！」的一聲巨響，城門被炸毀，茅國器率著大軍往城裡沖，日軍在城裡面用鐵炮、弓箭阻擋，城門後是已壘起半門高的石塊、巨木，明軍只好爬著往裡沖，裡面的鐵炮手「噼里啪啦」往外射，城上日軍用檑木、石塊往下砸，明軍只好又退了出來。
十月二日，董一元從軍營中推出三門體形巨大的大炮，炮身長兩米，直徑兩尺，炮架子體積也頗為龐大，兩箱子體積頗大的炮彈也運了過來。炮兵裝膛、瞄準、撞擊，巨大的聲音傳到了天空，炮彈打向城門上的城牆，巨大的衝擊波