李如松击退日军、救出部将后，深知敌众我寡、不可恋战，于是一面派飞骑召唤杨元，一面带着全军后撤。一路上边打边撤，近午时分退到了碧蹄馆。此时王京的日军也倾巢而出，小早川隆景、宇喜多秀家、小早川秀包、吉川广家、毛利元康等部蜂拥而至，碧蹄馆战场的日军已近四万之众。
碧蹄馆位于王京以北四五十里，本是王京到平壤官道的一个驿站。此地已渐入山区，东西是山丘夹峙，道旁水田密布，使得骑兵的机动优势大为弱化。所以日军主力终于追上明军，随即爆发了空前惨烈的野战。
根据明治维新时代出版的《日本外战史》记载，石田三成被明军的善战震慑，力主撤退以避兵锋。小早川隆景却道“此时撤军，彼若追击，我军则进退维谷，今日之战，我军必并力向前”，真是浪费了他的慷慨豪言，不到四千的明军怎么追击他的三万大军啊！不知实情的小早川隆景，隆重地布置了他的“主力会战”：他亲自督率本部八千人正面进攻，宇喜多秀家、黑田长政的一万人马殿后跟进；小早川秀包、毛利元康、筑紫广门等部从东侧上山，夹击明军左翼；立花宗茂从西山向明军右翼迂回。
十一点左右，遮天蔽地的数万日军从三个方向发动围攻。事后李如松形容为“贼众接续愈添，分布沿山遍野，由两山夹空将我兵围住”。身陷如此凶险处境，他也绝不受制于敌，竟然集中两千精兵打起了对攻反击，大出日军意料之外。明军骑兵猛冲小早川隆景的左翼部队，几乎将敌人一举击溃，日本史料形容为“恰如海潮涌至”。小早川隆景不得不把右翼也调往增援，拼死近身恶战。殿后的宇喜多秀家、黑田长政也急忙赶来助战。此时日已正午，阳光之下冰雪消融，以寡敌众的明军骑兵陷入泥泞地形，也只好撤回本阵防御。
随着时间的推移，宇喜多秀家、黑田长政的部队也投入正面战场，人多势众的日军开始逼入明军战阵。战至下午，连李如松也亲自上阵，根据参战的朝鲜官员记录，李如松“与手下骁将数十人亲自驰射”，副总兵（相当于军长衔）张世爵、李如柏、祖承训，参将（相当于师长衔）李宁、查大受等高级将领也都手持白刃近身肉搏。游击（相当于团长衔）李有异更是一马当先，一刀斩杀日将久野重胜，并率部击破了小早川军前锋大将井上景贞。最后他也身陷重围壮烈牺牲。将无贪生之意，士有必死之心。备受鼓舞的明军将士奋勇出击，终于把正面日军打出营外。
此时，西侧的立花宗茂军又乘虚猛攻，其猛将安东常久号称立花家的十二高手之一，并把班超的“不入虎穴，焉得虎子”作为家训。他凭着悍劲直冲明军中军，竟然一直冲到了李如松的面前。但“豺狼来了有猎丨枪丨”，远处的李如梅有百步穿杨的箭法，扬手一箭就射穿了安东的咽喉，立花军见之无不心惊。另一员悍将小野成幸杀得性起，干脆脱去盔甲赤膊前冲，结果也被辽东骑士的弓箭射成了死刺猬。立花宗茂部再遭重挫，不得不彻底退出战场，由黑田长政部队接替了位置。
号称最强战队的立花宗茂也不过如此，东侧的日军部队更不用说了。碧蹄馆东侧有小河阻隔，最是泥泞难行。第一梯队的小早川秀包刚要冒头，就被明军的密集箭矢压制在山脚和小河之间，只有卧在泥地里打滚的份。好不容易冲上去的敢死队，也被明军的三眼火铳轰翻在地。苦战良久，小早川秀包见有八名家臣丧命，连家老（大名的首辅重臣）横山景义也横死阵前，只好沮丧地撤下火线。后续的毛利元康身为第七军团代理总大将（毛利辉元已告病归国），却一直没打上什么大仗，这次憋足了劲立功，勒令毛利家的武士们无畏冲锋。此时，激烈的阵地攻防战从正午延续到下午四点，明军久战疲惫，前锋部队甚至浴血奋战了十个小时之久。面对源源不绝的生力日军，李如松还能支撑下去吗？
李如松的面庞被红血和硝烟染得森然吓人。但他的双眼依然沉毅坚定：
孙子有云，投之亡地而后存，陷之死地然后生；向死而生，决死得存，士之所谓也！
杨元，我等着你！
北方烟尘起，壮士又复来。
正当碧蹄馆明军作最后决死时，北方的天际杀声震天，官道上马蹄动地。杨元部队终于到了！虽然只是一千骑兵，但日军早已被明军的强悍折磨得要死要活，战斗意志也处于摇摇欲坠的状态。被杨元突然一冲，正在进攻的毛利元康部队立时败溃。根据《立花家纪》记载，最惨的还是小早川秀包，休息够了正带着人马重新上阵，还没和李如松接上火呢，就被杨元的骑兵直接杀进了本阵，连他本人也被击伤落马，险些被明军割去首级，幸亏手下武士拼命护主才捡回一条性命。右翼两军溃败后，其他各军也纷纷后退集结，转换成了防御阵型。
和杨元会师之后，李如松战意不减，下令趁日军慌乱、不明虚实之机整军反击。于是战争史上的一幕奇观出现了，几千明军大张旗鼓、虚张声势，竟然逼退了几万日军，把战线又向王京方向推进了十多里。直到李如松遥望南方，又有大队日军从王京赶来赴援，众寡悬殊之势愈演愈烈，于是转而整军北撤。日军诸将惶然震惧，也不敢贸然追赶。只有立花宗茂这个二楞子打红了眼，再次率军出击，结果被杨元的生力军打了一个满地找牙，先锋户次镇林（战国名将立花道雪的亲侄子）战败身亡，余者只能怏怏退回。
下午五点多，映衬着冬日夕阳的蒙蒙血晖，明日两军各自踏上归程。此役日军坐拥至少6：1的优势兵力，却最多和明军打了个平手，损失更是倍于明军，再怎么也说过不去。但小早川隆景老奸巨滑，深谙“化腐朽为神奇”的技巧，上书给丰臣秀吉说“击败明军数万，斩首六千”云云，哄得丰臣秀吉喜出望外，把小早川隆景召回国内升为“大老”。其余诸将也都得到封赏。但他们内心也全然明白：纵然是装备火枪的优势步兵，也无法在野战中战胜骑兵。此后，日军再未敢在野战中主动挑战明军。
从明军的角度来看，从砺石岘到碧蹄馆的一系列战斗只是一场野地遭遇战，前后参战的最多只有5600名辽东骑兵，在明朝辽东军的战史上再普通不过了。根据李如松的奏报，明军在战斗中阵亡二百六十四人。但男儿有泪不轻弹，只是未到伤心时。李如松回到坡州后检点兵马，发现亲卫队的子弟兵折损过半，也不由痛悼一场。