육전에서 일방적인 승리를 거두며 파죽지세로 보였던 왜군들은 잇달아 들리는 수군의 패배를 듣고 당황하였다.

때문에 풍신수길은 조선 함대를 격멸하라는 명령을 내렸고, 와키자카 야스하루와 구기 요시타가, 가토 요시아키 등이 남하하여 수군을 정비하고 새로운 군선과 수군을 본국에 요청하였다.

1592년 7월 5일 이순신·이억기 함대는 작전회의를 가졌으며, 7월 6일 아침 일찍 전라좌·우도 수군은 거북선 3척을 포함하여 58척의 함대를 이끌고 노량으로 이동하여 경상우수사 원균이 거느린 7척과 합류하였다. 이순신·이억기·원균 등 수사 세 사람은 만나 합동작전에 따른 기본 전략을 정한 후 창신도에 도착하여 밤을 지냈다.

조선 수군은 7월 8일 이른 아침, 당포를 출항하여 왜 수군이 정박하고 있는 견내량으로 향하였다. 이순신은 미리 배를 보내 왜선의 수와 그 근처의 지형을 상세히 관찰했다. 정탐한 보고에 의하면 적의 함대는 대선 36척, 중선 24척, 소선 13척 등 모두 73척으로 이루어져 있었다.

하지만 견내량은 지형이 좁고 또 암초가 많아서 판옥선과 같은 큰 배의 활동이 자유롭지 못했다. 그래서 큰 전선들이 활동하기 쉽도록 한산도와 미륵도 사이의 넓은 바다로 유인하기로 하였다.

왜선을 끌어내기 위하여, 그는 주력 함대를 한산도 쪽으로 이동하게 하고, 판옥선 5, 6척으로 적진에 투입시켰다. 왜 수군은 이를 보고 일제히 돛을 달고 공격을 하며 나왔다. 이순신은 판옥선을 주력 함대가 있는 곳으로 슬슬 퇴각하도록 명령했다.

예상했던 계획대로 왜선들은 기세가 올라 총을 쏘며 퇴각하는 판옥선을 추격했다. 이순신은 후퇴하는 척하며 왜선과의 접전을 조절할 수 있도록 주의 깊게 각 전선의 속력을 조절했으며, 왜선들은 사기충천하여 앞뒤를 가리지 않고 따라나왔다.

양 함대의 전선들이 한산도 앞 바다에 이르렀을 때였다. 이순신은 북을 치며 새로운 명령을 내렸다.

“모든 전선은 함수를 돌려라!”
“모든 전선은 학익진으로 벌려라. 선봉선을 먼저 공격하라!”

모든 전선들은 일제히 뱃머리를 적선으로 돌려, 적진 앞에서 학익진을 폈다. 학익진은 쉽게 응용할 수 없는 고차원적인 전법이며, 고도로 훈련된 함대에서만 시도할 수 있는 어려운 작전이었다.

이순신 함대의 여러 장수들은 조금도 두려움을 갖지 않고, 지자·현자 및 승자총통 등의 각종 포화를 연발했으며, 공격의 주목표는 선봉선 2~3척이었다.

상상하지도 못했던 대공격을 받게 된 왜적의 선봉선은 반격을 개시했다. 그러나 조선수군의 진형에서 벼락처럼 쏘아대는 집중 포화를 막아내지 못한 채, 순식간에 부서지기 시작했다.

선봉선이 부서지는 것을 본 다른 왜선들은 초기부터 사기가 저하되어 도망갈 기색을 보이기 시작했던 것이다. 이때 진두지휘를 하면서 왜선의 동태를 파악한 이순신은 계속 북을 치면서 공격명령을 내렸다.

“대선을 공격하라!”
“층각선을 공격하라!”

뒤이어 중부장 어영담, 우척후장 김완, 그리고 후부장 배흥립 등의 장령들도 용감히 돌진하여 왜의 층각선과 대선에 모든 화력을 집중하여 그 배의 지휘관들을 사살하고 왜선을 나포하기도 하고 불태우기도 했다.

이러한 공격에서 왜군들은 많은 장수를 잃었고 명령 계통을 잃게 되어 진형이 흐트러져 무질서한 최후의 발악만을 계속하였다.

후방에 위치하고 있던 14척의 왜선들은 전방에서 죽어가는 그들의 병사들을 전혀 구하지 못했으며, 겁에 질려 멀리 안골포와 김해 등지로 도주하였다.

전방에서 항전하던 약 400여 명의 왜병들은 완전히 대세가 기울어졌음을 알고, 가까운 한산도로 도주하였다. 그러나 물러갈 길이 막혔으므로, 전선들을 버린 채, 육상으로 도주하기 시작했다. 사기가 충천된 이순신 함대의 군사들은 이를 추격하여 전선을 모두 불태웠다.
다만 안골포 등지로 도주한 14척에 대해서는 온종일에 걸친 접전으로 군비들이 피곤하고, 또 해가 저물어 더 이상의 추격을 중지하고, 느긋하게 견내량 내양으로 가서 하룻밤을 지냈다.