然而小早川隆景断然拒绝，道：“明军孤军深入被我合围，主将李如松命在旦夕，明军虽然悍勇，我军又受地形牵绊，但眼下正是决胜之时，若于此时紧急撤军，必会造成我军混乱不堪，届时明军若是追击，则我军进退不能，必将惨败！
诸君，数万军力不能战胜区区数千明军，这般战绩传回日本，漫说太阁殿下如何看待，便是民众也必将耻笑！今日之战，我军只能全力向前，斩下李如松首级！冠以武士之名者，尽可随我出阵杀敌！”
这番话一出口，其他说辞都变得无力了，众将无论认可还是怀疑，都只能表示愿随一战。
于是小早川隆景令小早川秀包、毛利元康、筑紫广门率五千人从东侧山上包抄明军左翼，令立花宗茂从西侧山上包抄明军右翼，他自己亲领中军主攻，而吉川广家、黑田军、石田军等居后，作为总预备队待命。
巳时六刻，小早川隆景令麾下大将栗屋景雄、井上景贞各领三千向明军逼近。待日军发起冲锋之时，栗屋景雄所部便遭明军三、四号炮及弓弩打击，还有许多本为“清库存”带来的神机箭之类，也都跟不要钱似的招呼上去。日军哪见过如此“花哨”且“热烈”的阵势，一时间就被打得队形大乱。
明军原本几乎都是精锐骑兵，本就不耐固守作战，见有机会出现，立刻跃阵而出发动反击。栗屋景雄奋战不退，但所部很快不支，井上景贞正欲支援，小早川家臣佐世正胜劝道：“栗屋队很快便会后退，此时向前救援不如退至坡上，待敌军追击栗屋队之时，我军再猛冲侧翼，定能获胜。”景贞依计而行。
果然，等栗屋队败退而明军骑兵追击之时，井上立刻率队呼喊杀出，栗屋景雄也回身反击，两方混战一团。
此时大谷吉继也自领本队赶来增援，大谷吉继身先士卒指挥突击，其近臣劝谏道：“明军铁炮威力巨大，此处弹丸横飞，极为危险，若被击中难保性命，请殿下在后阵指挥！”
大谷吉继一把推开，道：“生死有命，如果注定终结我性命的弹丸不在今日战场，即便弹如雨下又有何所惧。”随后大谷吉继便继续率领本队突进。
此时明军也逐渐出现麻烦，主要在于火器的补给，由于一开始是骑兵侦查的性质，了不起算是火力侦察，因此携带的火药、火炮都不是特别充足，如今打到现在已几乎弹药耗尽，除李如松带来的一千骑兵火药弹丸还够支撑一段时间之外，其余明军多数已经事实上转为冷兵器部队。
日军一直强调他们的地形劣势，但其实砺石岘至碧蹄馆之间都是河流溪谷，崎岖狭窄，部分地区散布水田加上昨日天降大雨，又赶上冰雪初融，道路泥泞不堪，反而是明军的骑兵优势更难以有效发挥。
双方这一轮激战，明军火力优势不在，骑兵优势也体现不出来，苦战之后发现无法击破，只能仗着盔甲精良勉强抵挡。眼看不是长久之计，因此李如松果断下令向北转移阵地，同时重组战线待援。
接近午时，明军伤亡进一步加重，四千兵马已带伤过半，战死者也不在少数，李如松的亲军将官还能跟在他身边杀敌的更是所剩无几，但明军依然在全力拼杀。
此时日军已完成对李如松的三面合围，同时发起总攻。日军漫山遍野，四下无处突围，明军打到现在已经十分疲惫，在日军铁炮队逐渐列阵之下，李如松也开始心急起来，深感恐将命丧此地。
他悄悄拉过李如梅来，向他交待了几句话，但从李如梅的表现来看应该是强烈反对，没有答应。李如松叹息了一声，却也没有再说什么，只是拍了拍五弟的肩膀，李如梅反而很紧张，一步不离地跟着大哥行动。
立花宗茂此时也多负刀伤，但他战意十足，高喊李如松将死，鼓舞士气再度进击。石田三成及黑田长政也向小早川请令全军出击。
正在千钧一发之际，杨元终于率领本部一千精骑及援军四千赶到救援，从北面迅速投入战场，对日军发起了猛烈冲锋。这一波进攻让日军猝不及防，急忙试图调转枪口重装射击。
然而他们毕竟是突遭明军弹雨来袭，队列大乱。此刻明军精骑各持骑枪一顿开火，然后换了马刀狂飙突进，虽遭火绳枪射击，仍很快突入了日军阵中。
这股明军作为生力军，又是来救援自家主帅，当真叫一个气势如虹，而日军方面则是阵型大乱、士气暴跌，杨元因此打开了李如松所部生路。在告知李如松说李如柏领后队正在跟进之后，李如松只觉否极泰来，立刻整军反击，与杨元会合。
此时吴惟忠亦率部从山间小道突袭而至，直冲小早川隆景本阵而去。黑田长政见状，立刻命自己所部前往阻拦，明军虽占上风，但日军兵力远胜，一时间难分胜负。
吴惟忠下令将携带而来为数不多的三号炮全数射向日军本阵，逼敌回撤，日军本阵动摇，小早川隆景大喝一声，问谁人可退吴惟忠？吉川广家应声而出，率部出动支援黑田队。
吴惟忠及所部明军全力拼杀，与杨元及李如柏一道为李如松撤离争取时间。与此同时，明军援军亦源源不断投入战场，碧蹄馆一带战况形势愈发严峻，战场规模越来越大。
小早川隆景望见明军大部增援，心生失落，而且被视为精锐主力的立花队几乎快要损失殆尽，第六番队也是伤亡惨重，再战已无意义。
小早川隆景意图撤军，石田和黑田二人不理解为何此时又要撤军了，小早川隆景解释道：“我知明军甚强，却未曾想竟能如此之强，难怪小西的第一番队会遭致那样的惨败。如今明军又增援数千，形势已变，战机已失。如此看来定是与我们一样，后有大部跟进，而此地不利于两军主力大战，继续在此胶着并非明智之举。
另外，此战已经牵动太多兵力，京畿道内战事连绵，此时却还不是我们与明军全面决战的时刻，我们已经完成了阻击明军的任务，此后短期内汉阳安危应当无忧。”
于是在小早川隆景的军令下，日军后队变前队，开始有序批次撤出，逐批返回汉阳。李如松见日军撤走，也得以脱离险境，明军返回坡州休整，准备撤回临津江以北。
正当李如松准备动身时，柳成龙赶来劝阻。李如松说道：“原以为是敌小股伏击，结果是敌主力倾巢出动，我所望见光是前锋便已多达两万之众。如此估计，敌总兵力或许不下二十万之多。我部原仅五万，此次又消耗了大量火药、出现了不少伤员，须得等待物资补充和伤兵复原，才能做下一步考虑。”
明军兵力柳成龙自然清楚，其对物资的消耗巨大那也是肉眼可见，但他惊讶于李如松口中日军“二十万”这个数目从何而来。
李如松当然不会告诉他说这是高阁老所言，只是建议为防敌主力来杀个回马枪，请柳成龙与他一起速速离开此地，但朝鲜探马来报，说倭寇已放弃追击，全数返回汉阳。
柳成龙再请李如松重整军备，调集援军，攻向汉阳，而李如松坚持返回开城休整，柳成龙、金命元、李镒等阻拦不放，两边一时间竟然还发生了冲突，底下士兵甚至有拳脚相向者。
然而这些插曲改变不了李如松的决定，不久之后明军全军后撤，返回开城休整。
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