楊鎬面對水陸兩方皆處被動的局面，他選擇了繼續進攻，首先傳令各營造火炬備夜戰，而后又重新調整了兵力部署。
右協繼續圍困島山并預備攻城事宜，同時加派李時吉和成允文增援箭灘的擺塞、頗貴，這樣就能在北岸由西向東形成三個防守區域：擺塞、頗貴應對箭灘南山的援軍；李如梅、解生在箭灘和倭城之間防范倭寇由江上登陸；吳惟忠、茅國器在島山城下的太和江北岸與東川西岸設防。
至于祖承訓和南岸明軍，自倭寇船只封江伊始，這部分明軍只有聽天由命了，否則只能是棄子。同樣還有西江口的盧繼忠，東面四里是倭寇鹽浦據點，距西面慶州撤退方向有二十二里之遙，但隨時都能被江上水師登陸所截斷。封江之后，盧部同樣也與島山城下的聯軍本部失去了聯系，沒人知道西江口到底發生了什么。
島山城內的‘餓殍’們，大概知道再過一兩天，他們就能得救，強大的求生意志支撐著每個人。而且圍城圍到現在，明軍的防守早就松懈下來，‘使節’能每日自由進出城內城外，不斷給城內傳遞著消息。
明軍的防守就像個篩子，處處都是漏洞，卻無人在意。
四日零時，一切準備就緒的右協在楊鎬指揮下，最后一次對島山發起了大規模進攻，戰斗一直持續到黎明，其慘烈程度如同二十五日的那場戰斗。
但氣勢卻相差萬里，明軍苦于艱苦的野外條件，圍城十多日，士氣早就一落再落，反之城內的加藤部眾，因為強大的求生欲望支撐反而越戰越勇。他們不惜耗盡所有的儲備彈藥，彈丸如雨一般射到城下，聯軍傷亡慘重，即便這樣，也依然沒能登城成功。
楊鎬也急了，揮刀先斬退縮的士兵，而后又把畏戰的保定游擊李化龍綁于軍前以正軍法。諸兵營見此，只能冒死進攻。
交戰之際，城中又傳出偽書，假稱會有幾萬大軍前來救援，右協得其書后報與楊鎬和麻貴。兩人見四周情景，江面、陸上倭寇的旗幟四處飄揚，竟深信不疑。再看他們手下的將士，饑餓疲憊，士氣低落……若再不退兵，恐真的要被包夾。
此時尚未決出勝負，但楊鎬知道，明軍已經敗了，而且還是一敗涂地。最終他決定撤兵，接伴使李德馨還努力勸說楊鎬放棄撤兵想法，但打臉的是，早在聯軍還在戰場上占盡優勢的時候，朝方趁亂逃走者就已過半，如今李德馨還慷慨激昂的勸說明軍留下……楊鎬豈會聽他慷慨激昂的廢話？
到了正月初四，楊鎬下令攻城部隊全部撤出戰斗，準備撤軍事宜。巳時初，命令正式下達下去，全軍開始漸次撤退。傷病先由東路向慶州先行撤退，同時還要設法將才運至蔚山的軍糧全部轉運回慶州，實在帶不走的要全部燒掉。
此外，楊鎬還安排箭灘北岸的擺塞、頗貴，城西的李如梅、解生領騎兵準備殿軍，還加派楊登山的游騎協助擺塞。同時，箭灘南岸的祖承訓部、吳惟忠部、西江口的盧繼忠部已成棄子，根本無力救援。
城上的加藤部眾首先發現了城下圍城的明軍向北面山中撤去，這一刻，他們內心應該狂喜不已，終于僥幸活了下來。
未時末，鶴城山的明軍本部撤下，包括島山城下的吳惟忠、茅國器部兵均已依令撤下，唯獨箭灘南岸的明軍，楊鎬連傳令都未傳。
撤退的同時，楊鎬還一再查看余糧是否已燒盡，盔甲輜重等物是否已焚燒，待打掃完戰場，殿后的騎兵也追上時，已是申時。
而駐足于南岸的倭寇援軍先前并未發現明軍已撤，直到察覺鶴城山上的明軍本部已撤，焚燒的煙霧四起，才恍然醒悟，這才開始救援戰斗。
而在箭灘南岸的明軍，在祖承訓帶領下，竟出乎意料的搶先向南山上的倭軍發起攻勢。即便他們已淪為棄子，仍然在忠于使命與敵搏殺。一番廝殺下來，南山二、三番隊援軍就這樣生生被已成棄子的明軍拖住而無法渡江。
在倭城對岸一番隊的黑田長政，蜂須賀作為先鋒，本應渡江開始救援，然而兩人卻十分畏懼明軍，遲遲不敢行動。黑田兩人的畏戰，讓在后方立陣的吉川有些看不下去，想自己做先鋒，不料卻被同行的安國寺責備不依軍令。吉川立馬反駁，之后他便率部渡河先登。
有了帶頭的，一番隊終于行動起來，在船隊配合下北渡太和江，與他們幾乎同時渡江的還有在東川西岸的船隊。島山城內的‘餓殍’們苦苦支撐了十數日，終于見著了黎明前的一絲曙光。
用盡最后一絲力氣打開城門，然后嘶吼著，像瘋子一樣沖出城，對滯后的明軍展開最后的生死一擊——要么死，要么活！
其實這時明軍的大部已經撤離，對于城下太和江岸的守備更是松懈，殿后明軍本來面對的就是三面夾擊，這刻也只是稍作抵抗就被突破了防線。
吉川率先在太和江北岸站穩腳跟，并未就此停下，而是繼續向東北方的兵營城迂回，隨即又進駐此地，切斷了聯軍向東的退路。
由此也逼得楊鎬改變路線，他本想從兵營城渡過東川向慶州撤退。如此一來，就只能選擇西退，但江面上的倭寇船隊又趁機登陸，持鐵炮向明軍追擊。
好在后面趕到的擺塞、楊登山帶著騎兵反沖鋒，先射殺了幾名，這才讓倭寇的追擊停止，擺塞又連斬八枚首級，余眾頓時慌亂不已，被擺塞等人一路驅趕著重新回到船上。
又幸得南岸的棄子明軍殊死一戰，拖住了二、三番隊不能渡江，才讓楊鎬率部順利逃過倭軍的兩面夾擊，繼續西退。即便已經渡江的倭軍也不敢過分緊逼，只能等待島山周邊兵力集結，遂眼睜睜看著明軍西撤，不敢窮追。
但援軍也趁機將補給運至島山城下，明軍一撤，島山之圍隨即解除。城內的‘餓殍’們見到糧食無不兩眼冒著綠光，后喜極而泣……
有了米立即煮米成粥，只不過，饑不擇食者多有活活撐死，只有那些少食者，最后才活了下來。
在九死一生的戰場都僥幸活了下來，最終卻死在飽食一頓粥水之后……加藤見此，根本不知還能說什么。
楊鎬西撤時，其實駐扎彥陽的島津豐久部正朝著蔚山進軍，截斷了蔚山通往彥陽的道路。楊鎬不得不再次改變路線，沿中部山路向慶州撤。
在南岸的明軍，最終還是傷亡慘重，吳惟忠部冒死強渡太和江，祖承訓見北退艱難，收攏家丁朝南奮力突圍，終究是殺出了重圍，直至當天夜半，又趁倭軍在全力救援而后方空虛的檔，率敢死之士潛入西生浦，帶隊成功繞回了后方。
西江口的盧繼忠在減員七百人之后，也成功突圍撤回了后方。
倭寇二、三番隊，在擊潰明軍后始才渡江，占據箭灘北岸高地，并由三番的毛利秀元部駐守，二番隊卻并未向西追擊，而是朝東面的蔚山倭城進發，打算與一番匯合。后占據了已經空無一人鶴城山。
明軍沿中部山路一路退至含月山脈白楊寺后峰附近，此處距蔚山倭城不超十里，倭寇追擊部隊還是很快追了上來，楊鎬再傳令李如梅和解生二人帶隊阻擊。
李如梅斬追兵數級，后倭軍不敵小退，又待騎兵回陣后遠遠吊著，不敢貿然上前。隨行七八里路，時有持白旗的倭軍抵近后軍，麻貴標下的麻云、王高怒而旋馬回斬，得首級二枚后方才回報。
倭軍一路追擊，見始終無機可乘，這才終止追擊掉頭回了蔚山。
擺脫倭軍追擊的明軍于四日回到了慶州，楊鎬率本部退駐安東。正月初五，柳成龍以‘天兵糧餉輸到慶州者尚多，恐為賊所資’為由，將已運至慶州的明軍糧餉分給了朝鮮軍。
楊鎬怒不可遏，島山陣前糧餉不敷，將士們餓著肚子上陣殺敵，而后方糧餉卻多被朝軍瓜分。由此可見柳成龍所謂什么‘竭心盡力’之語全是狗屁。
更甚者，柳、權二人還將臨陣逃跑的朝鮮散兵收攏后，除駐守慶州的，其余各自退返，并未施以任何懲戒。
楊鎬退駐安東之后，最后一次調遣兵力部署：李芳春、牛伯英、盧德功、盧繼忠、李化龍駐守安東；葉邦榮分駐龍宮；吳惟忠分駐忠州；游擊陳愚聞分駐水原；藍芳威分駐稷山；李寧分駐公州；董正宜、柴登科、秦德貴分駐全州；擺塞分駐安城；其余則相繼回師王京。
蔚山之戰后，倭寇諸將在慶尚道的安骨浦又一次舉行軍事會議，一致決定撤守順天、蔚山，并派遣使者渡海，給豐臣秀吉送信，說明撤軍計劃。
在順天倭城的小西行長早就準備好了退路，除了他自己將大量物資裝上船，隨時準備逃走外，還有他的女婿宗義智，已經在南海島將物資裝運上船，同樣準備隨時走人。
加藤清正棄蔚山撤至西生浦，小西行長棄順天，撤至熊川，再至泗川，中路的島津義宏也命其晉州城的島津家將三原重種、蓑輪治右衛門撤退到后方的泗川，后又轉至固城，原先駐守梁山的，撤到了龜浦。
蔚山之戰，看似倭寇贏了，事實上卻被明軍打崩了防線，不僅是戰略意義的防線，還是心里上的防線。
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