日军一波又一波如巨涛拍岸般地发起冲锋，主攻方向是南门，在其他三门外也遥驻数千兵马，伺机而动，并以小股兵力逼近城防进行袭扰。杨元兵少将寡，哪顾得了这些，只想把眼前攻城的敌人打退再说，指挥城上威远重炮、虎蹲炮，城下的轻佛郎机炮向敌人猛轰，形成远、中、近三道火墙，整个南原城笼罩在硝烟之中，城外铺满了尸体。
这回攻城的日军不但负着土袋，而且还扛着上百架木梯，长约二三丈许，看来是白天赶制的，冒着猛烈的炮火冲到壕堑边纷纷将木梯横在上面，然后排成一字长蛇阵，像走钢丝般冲了过来。铁炮队则一字摆在壕边，依着土袋掩体，和城上、城下的守军对射。
守壕明军用鸟铳、火铳、弓箭拼命抵抗，进攻的人群像下饺子一样中弹、中箭落入沟中，但是更多的人接着冲上来。这回日军准备非常充分，进攻也更加坚决，西山久内、藤堂正高二人亲临城下指挥作战，铁炮子弹像狂风似地横扫向石墙后的守卫者。
同样使用火枪，因为日本铁炮足轻战术运用得好，火力也更加凶猛准确些，但是明军的佛郎机轻炮给对方造成了很大威胁，每座城门下列有10门，每一炮都能打死、打伤数人，城头上的威远炮虽是瞄着远处日军第二梯队，但一开火炮声惊天动地，也颇壮城下守军气势。
联军壕堑挖得再深，火力再猛，挡不得敌军人多，数百人一批轮番冲过来投掷土袋，时间长了，尽管填不平，可还是压倒了大部分竹枪，竟有五六十名日本武士试着下到沟底，打算沿另一侧爬上来！明军弓箭手只好探出身子往沟下放箭，铁炮足轻连放排枪狙击，明军弓箭手被打的前仰后合，死伤惨重。
顺梯子进攻的敢死队一次比一次冲得近，个别地段竟冲过防线，和守军展开肉搏战，虽然马上被歼灭，但冲过来的次数和人数却越来越多。除了南门，东、西、北三门也遭到了攻击，城上虎蹲炮四面开火，到后来炮管打得发热，一放火药进去马上就自动燃烧喷出，无法装弹丸。只得从城里挑了水，用湿被盖在炮管上降温，虽是如此，仍如抽刀断水，杀伤一批进攻者，立即又有更多的敌军拼死往上冲。不一时，第二道壕堑也被填平，四门同时告急。
杨元在城头看着大惊，连忙传下令去：“开城门，骑兵突击！”
西、南两门吱呀呀打开，150名朝鲜骑兵，200名明军骑兵一齐冲出去，直扑壕边的日军铁炮队，铁炮足轻们躲在拒马木后面密集射击，紧接着长矛手列队向前，抵住骑兵冲击。
联军仗着马快一下子插进敌群里，挥刀乱砍，但是敌军势众，冲散了一排还有一排，长矛阵摆了整整十排，冲在最前面的四十几名骑兵纷纷落马，后续马队冲势衰竭，立刻陷入了苦斗之中。李福男挥舞长刀连劈两名对手，座下战马也被敌人长矛扎死，在其他骑兵的护卫下，换了马继续作战。杨元居高临下望去，只见成千上万的敌人排山倒海般压了过去，联军骑兵好像一头冲入沼泽地的猛兽，虽然尽力搏斗，可还是渐渐陷入重围。
“撤退！”杨元眼看再打下去于事无补，只得痛苦地下令鸣锣收兵，听到锣声，联军士兵且战且退，在守壕友军的炮火掩护下，分批退回城内。大批日军紧追不舍，明军守壕士兵不得已，匆忙间弃了笨重的佛郎机炮，携轻火器退入城内，并将连接第二道壕堑的栈桥斩断。
猛扑的人潮在护城河边终于停了下来，城上鸟铳手拼命放枪，日军前进不得，挤在城下被射死者甚众，发一声喊撤下去，挖了掩体沟与城头守军对峙。
到了子初时分，枪炮声慢慢止歇，杨元将守城士兵分为两队，交替休息，并查点损失。方才这一战，共损失朝鲜骑兵80人，明军步骑兵200人，伤者近300。
将近12个时辰的恶斗，城内守军共战死1400人，受伤600人，可战之兵只有1500余人，可用战马不到一千匹。并遗弃在城外虎蹲炮8门，轻佛郎机炮40门，其他火器弹药亦消耗巨大，
杨元心中沉重，端坐城头默默地沉思，有护兵送来汤饼，也无心下咽；过了好半天，心意已决，下令召千总以上军官到西门城头集合。
不一时，蒋表、李福男等十几名联军将领来到身前，杨元手按配剑看着大伙，缓缓道：“咱们已经坚持一天一夜了，兵法有云，守城六要：第一外有救兵、第二内有粮草、第三奇袭、第四水源不绝、第五防奸、第六志坚。眼下咱们虽然有心死战，可是外无救兵，内无补给，可战之士不过千余人，全仗着背倚坚城才守到现在。倭贼以数万之众围城，我等纵然有心偷袭，怕也是徒劳无功哦！”众将听他如此说，都低下头去，神情沮丧。
杨元顿了顿，继续说道：“我刚才想过了，当今之计，只有弃城突围这一条路可走。李将军、方将军，你二人趁敌军暂时撤下，带八百精骑赶紧突围，我会在城头用大炮为你们开路！”
“那伤兵们怎么办？”蒋表道。
“和我一同留下来，等待援军。”杨元斩钉截铁的说道。
“杨将军，你——”李福男惊得说不出话来。杨元看了他一眼，摇摇头道：“李将军，我身为守城主将，断无弃城而走之理；蒋将军又有伤在身，你的任务，就是保护好他，安全撤回王京，请麻提督派兵来援。”
“可是，我们带精兵走了，南原城你又怎么守得住，这分明……”李福男还待再说，杨元伸手拦住他，道：“不用再说，我和你们不同，就这么决定了！”
蒋表一直默不作声，这时伸手拉住李福男，道：“按杨帅说的办吧，这是什么时候，别婆婆妈妈的。”
“要走你走，这是朝鲜的土地，朝鲜的城池，我李某死也要死在杀倭子的战场上！”
“住口！”杨元厉声止住二人争吵，道，“我知道这样做大家心里都不好受，可是蒋将军说得对，现在不是争论的时候，我是这里的最高将领，我说的话就是命令。如果谁不听从，斩！”
杨元说到最后一个“斩”字时，脑子里不禁闪过碧蹄驿一战中的情景：李如松亲自断后，大伙劝他不要亲临险境，李将军怒喝一声“违令者斩”，毅然留在最后抵挡追兵，并成功将敌人杀退。虽然自己没有亲见，可是事后听查大受说起将军当时那种横刀立马的气魄，仍是令人赞叹不已；现在轮到自己了，才由衷地感到，身处重围之中，说出这句话需要多么大的勇气啊。
想到这儿，杨元心意更坚，一字一顿沉声道：“二位将军，下城集合人马，准备突围！”
众人正犹豫，忽听哨兵惊叫道：“倭贼又杀来了！”杨元忙回头向城外遥望，只见黑夜中无数火把摇动，随着暴起的呐喊声，日军扑天盖地地从本阵中杀将过来，城外的日军也群起呼应，纷纷从隐蔽处窜出来，加入进攻的行列里去。
“开炮，快开炮！”杨元急得大喊，城上的炮手乱纷纷地跑到炮位上去，摇动炮管，装药填弹，点燃火绳，整个南原城像地震一样剧烈颤抖着，二十几门轻重大炮同时向城下进攻者喷吐着火龙。
“护城河里的水快要没了！”一名眼尖的士兵指着城下叫道。杨元和李福男等将领奔到城头俯身看去，只见环城河水正慢慢消退，不用说，是日军趁着刚才停火偷偷挖了地道，把水又引回附近河流里去了。
杨元又惊又怒，回身咬牙道：“还等什么，大伙和倭贼拼了罢！”
“拼了罢，咱们和倭贼誓不两立！”众将齐心，高喊着奔向各自防守的地段。
转眼间敌军大队人马突破炮火封锁，冲到城下向干涸的壕堑投掷土袋，明军和朝鲜军在城头上不停地放枪放箭，惨叫声中，无数敌兵随着土袋一齐掉到沟里面，余者边用铁炮向城上还击，边奋力填壕。守军已经无力组织骑兵出去冲杀，眼见挡不住了，纷纷上城头搬运滚木擂石，准备对付日军攀城。
不过一顿饭功夫，一丈二深的壕堑被填得跟平镜一样，上万日本士兵欢呼着，架起长梯奔向城边，另有千余人在城东堆栈起高高的茅草。守城的朝鲜军不明所已，惟有杨元看了暗暗心惊，扭头去看城上皂旗，呼啦啦迎风飘扬，不好，倭贼是要顺风放烟啊。
他猜得不错，日军这次动员了3000多士兵，每人负草一束，积少成多，运到城池上风处，以干草为中心，周围则置湿草，使其易燃发烟，用来熏逐城上的守军。这是北宋时《武经七书》中所载攻城之法，日人多好中华古兵书，小西行长也懂得些，如今现学现卖，居然用来对付起明军来了。
杨元哪能容忍这个，当即调了两门虎蹲炮，瞄准草堆连连施放，炸得几十人和干草一齐飞上天去，顺风一刮，攻城的日军个个灰头土脸，但仍然死攻不休。
小西行长远远看了，拍额恨道：“我倒忘了明军有大炮了，真是尽信书则不如无书啊！”宇喜多秀家忙宽慰道：“小西将军莫急，你看咱们大队人马已经竖起了长梯，四面攻打，早晚能打下这座城池！”
小西行长听了点头称善，当下加紧调集部队攻城。至此，一线攻城兵力已经超过了10000人，而且采用车轮战术，每半个时辰，就有5000生力军奔过去换下同等数目的攻城部队，接着攻打。
“把倭贼打下去啊！”守城联军士兵高喊着，搬起滚木擂石往下砸，日军铁炮和箭矢像雨点一样往上射，双方激烈攻防，不断有被打死的守军和攀梯攻城的日军士兵掉到城下。
西山久内头戴欧式南蛮盔，身披重铠，手舞野太刀领着几十名武士冲到东城门下，狂喊着：“撞开它！”随着喊声，30名足轻在铁炮队的掩护下，抱着一根削尖了的大木飞跑过来，借着冲力猛撞城门，一下，两下，三下！南原城并非王京或平壤那样的大城使用铁门，只是包着铁皮的厚木门而已。在巨木的撞击下，呻吟着、颤抖着，终于支撑不住，轰然被撞破了，堵在门后的石块塌泄下来，滚了满地。
武士们欢呼着往里冲，迎接他们的是一阵箭雨，排头十几人被射的像刺猬一样栽倒，足轻士兵们扔了巨木，扭头往后跑，西山久内挥刀斩翻二人，大叫道：“不许退，攻进去，攻进去！”士兵们本能地回转身，又是一阵箭雨射过来，惨叫声中，活着的人和被射死的、射伤的一起趴在地上，可是后面的士兵并不知道前面受挫，仍不断地往里涌，不断地中箭身亡。
西山久内跪在门边往里看，这才发现虽然大门被攻破，可是正对着的还有一道矮砖墙，头戴宽沿高帽、身穿白衣黑甲的朝鲜士兵持弓乱射，到这会儿已有40多名日军被射死在城门口。西山久内哈着腰跑出城去，高喊着：“铁炮队过来，过来！”闻声过来三十几名足轻铁炮手。
“往里打！”随着西山久内的命令，几十枝铁炮集火射击，守墙朝鲜军挡不得弹如雨下，十几人被打死，其余的人退往第二道防线坚守。
呛人的硝烟把西山久内熏得大声咳嗽，日军再次发动冲锋，踏过守军尸体，跃过石墙，直扑城内。可是迎接他们的依然是横飞的羽箭，大门后共设三道石墙防线，朝鲜兵聚在第二道防线后拼死拒敌，石墙几次易手，墙里墙外仆满了双方士兵的尸体。甬道狭窄，日军空有优势兵力无法集中使用，只好一次冲进去数十人，死光后再上去数十余人，反复冲杀，损失了100多人后，终于夺取了第二道防线。
朝鲜残兵退到最后一道防线后，和赶来支持的明军火铳兵一起死战不退。最后从城头搬下来一门虎蹲炮，对着进攻者近距离平射，日军被霰弹打得血肉横飞，残手断肢漫天飞舞，伤者痛呼声不绝。
在守军强大的火力下，西山久内只得命令部队暂时撤到城外，并用铁炮队守住城门，防止守军修复。
城上的争夺同样激烈，不断有日军士兵爬上城，明军火炮打光了，一时不及到城下搬弹药，炮手们均操起腰刀自卫，明军和朝鲜守军挥刀狂砍，挺枪猛扎，谁都知道若是被敌人攻上城去，城内数千人一个也不能活命。
最危急的时刻杨元手提一杆大号三眼铳亲自冲到城边燃放，一名悍勇的日本武士身披铁甲，连中两弹不倒，怒吼着举刀斩在杨元头盔上，寒光闪闪，几乎劈透！
杨元同样大吼着，不顾一切地奋力抓住他持刀的胳膊，另一只手举铳抵住他胸膛！火绳眨眼间燃尽，轰的闷响，最后一发子弹射出去，把重伤的敌人打了个对穿，鲜血狂喷栽下城头。
这时候眼看敌人蚁聚城下，长梯如麻，明军士兵在绝望中接连把插上引线的火药桶掷到攻城人群中，巨大的爆炸声好像山崩地裂，漫天飞起炸碎的人肉块和碎城砖，连在远处观战的小西行长心中都咯噔噔地直跳，坐下马“咴”地受惊人立，险些把他抛在地上。
攻城日军更受不了这种疯狂的打击，无数人被震得失聪，扔了兵器，像喝醉了酒一样来回乱走，士兵们惊恐万状，一股锐气泄了，潮水般退了下去，转眼间城下再没有一个活动的物体。
看着日军狂奔逃散，城上的守军木然呆立，好半天才回过神，很多人张嘴喊着什么，可是耳朵里却听不到自己发出的声音。杨元扔了被砍破的镔铁头盔，茫然四顾，城头上都是和他一样梦游似的部下。
不知过了多久，活着的士兵渐渐清醒，摇摇晃晃地去搬运守城器械，修复受损的城门。没有人命令他们，到了这个时候，战斗仿佛已经成了每一个士兵的本能。
蒋表左手缠着绷带，右手提刀一跛一跛地走上城楼。“你又受伤了？”杨元问道。“没关系，被倭贼射了一铳，东城门已经打破了，我指挥弟兄们垒了砖墙，不知道能不能顶得住。”杨元摆摆手：“不用修了，趁这个机会，你们快点走吧。”这时候李福男也上来了，满脸是血，见二人吃惊地看着他，裂裂嘴笑道：“不是我的血。”二人点了点头，不再说话。
沉默半晌，杨元又道：“走吧，别等了。”
“好吧，我去集合队伍。”蒋表一把拉过呆在那里的李福男，两个人走下城去。过了会儿，马蹄声响，八百名疲惫的士兵牵着战马来到南门下集合。城楼上的士兵死死地盯着下面的同伴和战马，人人都知留下来必死无疑，突围才有一线生机，可是谁也不吭声，没有人上前问一句为什么我不可以走。
杨元迈着沉重的步伐走下城楼，好好地看了一回这些士兵们，然后高声喝道：“全体上马！”士兵们咬牙上马，将弓箭握在手上，长刀插在背后，等待着命令。
“弟兄们……”杨元想说点什么，可是一开口不禁哽咽，见此情景，城上城下的士兵全都潜然泪下。杨元深吸了一口气，接着道：“走吧！你们是这里最精锐的士兵了，也只有你们才有可能冲出敌人千军万马的包围，为了不辜负在南原坚守的袍泽，大家，”杨元顿了顿，突然一挥手，高喊道，“大家可要活着冲出去啊！”
“我们一定会冲出去，杀倭子，为死去的兄弟们报仇！”
“杨将军，你就放心吧！”所有的骑兵们都咬牙狂喊着，虽然个个热泪盈眶，可是脸上显露的却是坚强。
“大帅，送我等一程如何？”蒋表牵马走到杨元身边道。
“也好，这一去可就是黄泉人间了。”杨元感慨地说道。二人上了马，引着骑兵们出了城门，走不到50步，杨元勒住缰绳双手抱拳道：“诸位，请上路吧，城里还有不少弟兄等着我呢，恕杨某无法远送。”听他说罢这话，蒋表和李福男交换了一下眼色，突然同时出手扭住杨元！
“怎么？！”杨元吃惊地看着二人，李福男一把将其腰刀摘下，紧接着几名骑兵上前横拖竖拽地把他反绑起来。
杨元又惊又怒，喝道：“干什么？都反了么！”
蒋表笑道：“大帅，我和李将军早就商议过了，你领着骑兵突围，我和李兄守城，事先没告诉一声，真是对不住了。”
“蒋表，你你……”杨元张口要骂，可是这几个“你”字出口，却再也骂不下去。
“保护好大帅突围！南原城可以破，但是绝不能失了主将折杀我军士气，关键时候你们应该知道怎么办！”
“遵命！”几名骠悍的骑兵答应着。
“将军，咱们来生再见！”蒋表笑着一抱拳，打马奔回城去；李福男笑了笑，也是一抱拳，拨马追上方时辉。看着他二人并肩回到城里，厚重的大门缓缓合上，杨元痴痴地说不出话来……
8月17日凌晨，日军集中两万人再次发起强攻，经过惨烈拼杀，南原守军全部阵亡，杨元率800骑兵突围，最后活着回到王京的仅剩300人。
南原失陷，驻全州的陈愚衷立即撤退，未战而交于敌手。8月20日，日军加藤清正部攻陷黄石山，八月末向公州推进，陈愚衷部只有两千人，料不能支，只好又抛下公州撤回了京城，吴惟忠也自忠州撤退。至此，日军两路汇师，直指王京。
10月，杨元以失陷重镇、全军覆没的罪名论处；刑部文案下达后，杨元无一言申辩，口称愿死。伏罪后传守九边，殁年45岁。