이순신은 전라우수사 이억기에게 동시 출전할 것을 약속하여 8월 1일 여수 앞 바다에서 좌·우도의 합동함대를 편성했다. 그리고 출전을 위해 훈련을 실시하고 전비를 철저히 점검했다. 준비를 끝낸 이순신은 8월 24일 좌수영을 출발했다.

25일에는 삼천포 앞 바다를 거쳐 원균을 만나게 된 이순신은 왜군에 대한 상세한 전황을 듣고 나서, 당포에 이르러 밤을 지냈다.

27일에는 원균과 함께 앞으로의 작전을 상의했다. 일단 칠천도에 이르렀다가 밤중에 원포(院浦)에 이르러 밤을 지냈다. 이때부터 이순신은 철저한 수색작전을 펼쳐나갔다.

29일에는 장림포(長林浦)에서 낙오된 듯한 왜병 30여 명이 왜선 6척에 나누어 타고 양산에서 나오는 것을 발견하여 모두 불태웠다.

9월 1일 첫닭이 울자, 모든 함대를 지휘하여 부산포를 향하였다. 그리고 화준구미에 이르러서 왜군의 대형선 5척을 쳐부수었다. 다시 다대포 앞바다에 이르러 대형선 8척을, 서평포 앞바다에 이르러 대형선 9척을, 절영도에 이르러 대형선 2척을 격침시켰다.

이순신은 탐망선을 부산포 앞 바다로 파견하여 적정을 정탐하게 하였다. 잠시 후 탐망선이 와 탐색한 내용을 보고했다.

“왜선 약 5백여 척이 선창 동쪽 산기슭 아래 열박하고 있으며 그 중에서 선봉선 대선 4척은 멀리 초량 동쪽에서 나오고 있었습니다.”

전선이 무려 5백여 척이라는 말에 군사들은 놀라 어찌할 바를 모르고 있는 것 같았다. 그러나 이순신은 이억기와 원균에게 침착하고도 위엄있게 말했다.

“우리 수군의 위세를 가지고 지금 공격하지 않고 돌아간다면, 반드시 적은 우리를 멸시하는 마음이 생길 것이다. 이곳에서 싸워서 전멸을 당할지언정 싸우지 않고 돌아가지는 못한다.”

그리고 독전기를 힘차게 휘두르며 부산 선창을 향하여 총공격명령을 내렸다. 이순신은 전선의 수와 지형 또한 불리했지만 함포의 우수성을 내세워 적들을 향해 거침없이 나아갔던 것이다. 모든 함대는 사정거리가 길고 위력이 있는 대형총통으로 먼저 공격하면서 앞으로 나갔다.

바람에 나부끼는 독전기와 함께, 이순신 함대의 우부장 정운, 귀선 돌격장 이언량, 전부장 이순신(李純信), 중위장 권준, 좌부장 신호의 순으로 앞장서 나아가 맹렬한 공격을 가하여 대선 4척을 때려 부수었다.

부산진 동쪽에서 약 1마일 정도 떨어진 언덕 밑의 3개소에 정박하고 있는 왜선들은 탐망선의 보고와 거의 같이 대·중·소선을 합하여 470여 척이었다.

적선에 타고 있는 왜적들은 이순신 함대를 보고도 감히 해상으로 나오지 못하고, 배에서 내려 산 위로 올라 6개 진지에 들어가 철환과 편전을 빗발같이 발사하였다.

하지만 이순신 함대의 여러 군사들은 더욱 더 힘을 다하여 죽음을 무릅쓰고 다투어 돌진하면서, 천자총통과 지자총통, 황자총통에다 대장군전, 장군전, 피령전을 쟁여 쏘고, 또 철환을 일제히 발사하고, 장전과 편전도 함께 쏘아댔다.

이렇듯 하루 종일 이어지는 포격전에서 왜선은 100여 척이 격침되었다. 아군은 6명이 전사하고 25명이 부상당하였다. 또한 이 부산포 전투에서 녹도만호 정운이 전사하였다.