九月二十日，劉鋌、李應軾、監軍王士琦率領兩萬明朝聯軍抵達順天倭城，順天倭城也是堅固無比，雖然沒有島山城那麼高聳，但卻顯得氣勢磅礴，整個順天倭城建在海邊上，東面是海灣，里外三層，可以說是易守難攻。
小西行長站在順天城上看著明朝聯軍如風捲雲舒般馳來，城外日軍迅速入城，並關閉了城門，聯軍在順天倭城北面紮營，小西行長手下一萬三千兵馬，俱是精銳，看來一場大戰不可避免。
二十一日，二十二日，二十三日連續三天的炮擊，整個順天城上空昏天黑地，明軍的炮聲隆隆，順天倭城上日軍修建的木製哨樓全部被摧毀，日軍都躲在房屋和工事內度過這難熬的三天，在硝煙的瀰漫下，很多日軍嗓子嘶啞，面目漆黑。二十四日，炮聲終於停止，劉鋌騎著馬在軍中轉來轉去，思考破敵之策。
當天夜裡，劉鋌把李應軾招到中軍帳內。
「順天城內倭寇兵精糧足，且城池高大、堅固，若要強攻，我軍必遭受損失，聽聞小西行長乃倭軍中的主和派，我看能不能誘其出城談判，然後殺之，正所謂不戰而屈人之兵。」劉鋌說。
「此計可以一試。」李應軾說。
二十五日，明軍中有一名軍士跑到順天城下，拿著兩面黃旗對搖了起來。小西行長跑到城頭一看，知道是停戰的意思，小西行長納悶起來。不大一會，順天城門「咯吱」一聲響，一個日軍士兵跑了出來，日軍士兵跑到搖旗的明軍士兵面前，明軍士兵從懷裡掏出一卷錦帛遞給了日軍士兵。
小西行長打開這卷錦帛，上面寫的都是漢字，小西行長不懂漢語，但大致意思看的懂。劉鋌在信中說，為了避免兩軍傷亡，建議和談，具體事宜請小西行長親自赴城外談判。
小西行長把信遞給了松浦鎮信，松浦鎮信看了看說：「劉鋌的話不可信，此人在明軍那裡是主戰派，奸詐無比，這樣的人怎麼可能跟我們和談？」
「那這事怎麼辦？」小西行長問。
「我看將計就計，我們不是有四千騎兵嘛，你看明軍的隊形，前面是炮兵，中軍和兩翼都是步兵，後面是騎兵，我們帶四千騎兵出城談判，然後乘勢砍殺，明軍隊伍必然大亂，再以步兵掩殺，我軍必勝。」松浦鎮信說。
「那這事派誰去說？」小西行長問。
「你這裡不現成有一個嘛。」松浦鎮信說。
順天倭城的門開了，沈惟敬走了出來，沈惟敬精神抖擻、容光煥發的走向明軍大營。沈惟敬來到中軍大帳，劉鋌坐在那裡。
「在下大明游擊將軍沈惟敬，奉小西行長之託，前來談判。」沈惟敬說。
「閣下是誰？」劉鋌問。
「大明五品游擊將軍。」沈惟敬答。
「哈哈！大明游擊卻來自倭營，代表倭寇談判，說你是倭寇，卻又說漢語，姓漢姓。」劉鋌笑道。
「劉鋌！都說你乾脆利落，怎麼也婆婆媽媽的？好了，我們談正事。」沈惟敬正色道。
「你既是代表敵方談判，那麼敵我雙方的調侃、蔑視這很正常，沈游擊莫要迴避這些，你這樣會讓劉總兵沒面子的，也是不尊重劉總兵，若想談判能夠正常下去，游擊只要能解釋清楚即可。」李應軾說。
「萬歲爺要殺我，小西行長救了我，我並沒有做出對不起大明的事情，我所作的一切都是為了和平。」沈惟敬說。
「你跟他談吧。」劉鋌對李應軾說，隨即離開現場。
「氣量狹小，看似高山，實則丘陵。」沈惟敬看著劉鋌的背影說。
「小西行長要求帶一支騎兵出城談判，以保證安全。」沈惟敬對李應軾說道。
「其中是不是有詐？」李應軾問。
「這個有可能，你們要做好準備。」沈惟敬說。
接下來，沈惟敬和李應軾商量於九月二十八日雙方在城外談判。
二十八日很快來到，小西行長、有馬晴信帶著數千騎兵從北門出城，明軍和朝軍的隊列仍然很嚴整，劉鋌已經讓人在遠處搭建了一座大大的看台，劉鋌端坐在上面。日軍騎兵剛來到平地上，便對明軍發起攻擊，數千日軍騎兵拿著太刀向明軍隊列衝去，明軍和朝軍紛紛後撤，劉鋌將旌旗一招，明軍立刻退到兩邊，數百名天竺兵和得愣兵衝上前來，端著多發弩機向日軍射擊，弩劍射完後，二百名緬兵端著火槍又上來，二百名緬兵分成五排端著長長的火繩槍一排排向日軍射擊，日軍不顧箭弩和火槍的射擊，徑直向中軍奔來。此時，鼓點突變，弓弩手和火槍手迅速向兩邊撤退，三千川軍騎兵沖了過來，立即跟日軍攪在了一起，這時候兩千明軍騎兵分成兩隊從日軍後面抄過來，四千日軍騎兵頓時被圍了起來。劉鋌站在看台上變換了旗幟，周圍的步兵舉著旗幟來回奔跑，明軍排成了一個車輪狀的陣形將日軍困在裡面，外圍的明軍不斷派出小股的步兵拿著長槍騷擾日軍，騷擾一下又退了回來，其他小股的步兵又接替上去，小西行長不敢戀戰，帶著眾人不顧一切的向南突圍，劉鋌手下的騎兵乘勢掩殺。這時候，城內的日軍也趕出來增援，參軍吳廣帶著二千苗兵用火炮和弓弩阻擊，援軍很快被打了回去，戰鬥一直進行到下午，小西行長、有馬晴信渾身是血的帶著幾百騎突出重圍返回順天城，丟下了一地的日軍屍體。
二十九日，三十日，劉鋌讓人在順天城下挑釁日軍，日軍緊閉城門，城上的日軍也都躲在碉堡後面。
十月一日天還沒亮，順天城海岸就傳來炮聲，小西行長在睡夢中驚醒。松浦鎮信來報：「陳璘、李舜臣水師已經抵達順天海灣，正對我城進行猛烈炮轟」。
「明軍有何動靜？」小西行長問。
「大營中一片靜悄悄。」松浦鎮信答。
「讓他們轟，把我們的船隻隱藏好，不要讓他們轟了，不然我們都回不了國。」小西行長說完繼續睡覺。
辰時，對順天倭城的總攻終於開始。明軍的福船停靠在東邊的光陽灣內，福船竟比順天倭城一城還高，明軍在船上用虎蹲炮居高臨下的開炮，城上的日軍頓時灰飛煙滅。陳璘、李舜臣五千水軍已經棄船登陸，五千水軍在城下用繩索攀城，攀登中，朝將蛇渡僉水使黃世得被鐵炮擊中而死。此時，劉鋌也做好了攻城準備，一聲炮響，明軍推著火炮車向丘陵上運動，邊前進邊開炮，大批的士兵拿著盾跟在後面，還有很多士兵扛著飛梯瞄著腰前進，在火炮的掩護下，明軍的先鋒抵達順天北城下迅速搭好梯子，一千多名暹羅兵手持藤牌和彎刀開始登城。日軍躲在城牆上的工事後面向城下聯軍射擊，城上工事分兩層，底層是暗堡，砌有射擊孔，上層站人，專門向下扔石塊和檑木。底層工事由於射擊孔狹小，里內日軍的視野不開闊，對城外聯軍的威脅並不大，眼看明軍攻勢越來越猛，底層的日軍紛紛跑到上層向下射擊。城下，吳廣組織了十幾人，全身包裹起來，帶著震天雷向上攀爬，爬上去後將震天雷從射擊孔里塞進去，然後迅速跳了下來。「轟！轟！」的幾聲，城上的工事被炸塌，明軍迅速登城，日軍迅速在城頭上組織抵抗，越來越多的明軍從北面和東面蜂擁上城，眼看抵擋不住，日軍退入第二道城。
二城也建在丘陵上，地勢平緩，但城牆高大，劉鋌讓人在坡下架起火炮，繼續往二城裡轟，陳璘、李舜臣也趕過來跟劉鋌見了面。
「你們還是回到船上去，把出海口堵住，不要讓他們逃了。」劉鋌害怕陳璘搶功，對陳璘、李舜臣二人說道。
聽完劉鋌的話，陳璘怒氣沖沖的離開了。
十月二日，聯軍對二城的攻擊開始，明軍將三架雲梯推到二城對面，明軍從雲梯後面爬上雲梯開始在雲梯上向城內射擊，二城下面的士兵也用弓箭向城上射擊，在眾人的掩護下，眾兵開始搭梯子攻城，上次戰爭中投降劉鋌的一千三百名日軍被劉鋌編為倭兵營也參加了攻城。小西行長調集重兵防護，衝上來的明軍、朝軍不斷被砍死，劉鋌、李應軾、吳廣在那裡親自指揮，劉鋌讓人將三座雲梯推上前去，有的明軍從雲梯上直接往城頭上跳，劉鋌在那裡死命吆喝，城上一日軍用鐵炮偷偷瞄準劉鋌，一炮打來，劉鋌的鋼盔被打飛，頭上蹭破一塊皮，眾軍士立刻把劉鋌拉了下去。面對聯軍頻繁的攻城，小西行長命人將二城門打開，幾千日軍沖了出來，雙方在城下展開拼殺，劉鋌急令城外兵馬進城支援，二城內的日軍盡數出動，聯軍和日軍在一城和二城之間展開大血戰，劉鋌拿起大刀沖了進去，跟日軍血拚。
監軍王士琦在城外觀察著戰局，見明軍並未佔優勢，遂鳴金收兵。
劉鋌帶著眾人退出一城，日軍隨即又佔領了一城。
劉鋌沮喪的回來了。
「兩萬人想拿下順天倭城實屬難事，城內本來就有倭寇一萬多人，而且我軍是攻城戰，倭城裡外三層，雖攻一座城池，實是攻三座城池，總兵覺得現實嗎？即使能拿下來，那部隊也會打光。」王士琦對劉鋌說。
十月五日，麻貴、董一元撤退的消息相繼傳來，王士琦對劉鋌說：「他們都在自保