6月14日に三大名は釜山浦に集結したが、功名に逸った脇坂安治は抜け駆けをして7月7日に巨済島へ単独出撃をした。
一方、二度の出撃で戦果を上げた朝鮮水軍の全羅左水使・李舜臣（24隻）は7月6日に日本水軍の動きを察知すると直ちに出撃し、慶尚右水使・元均（7隻）と全羅右水使・李億祺（25隻）の水軍と合流した。
7月8日、日本艦隊を発見した李舜臣は出撃を主張する元均を抑え、囮と潮流を使った迎撃作戦を展開した。また、この艦隊には亀船三隻が参加していたという。囮と海流に乗って出撃した脇坂艦隊は有力な朝鮮水軍の迎撃を受け大きな被害を出し、脇坂安治も窮地に陥るが、座乗船の大きさと櫂の数による機動性を生かして撤退に成功した。
李舜臣は自身の記録である「見乃梁破倭状」で日本艦隊の発見数を大船36隻・中船24隻・小船13隻、撃破数を63隻と記録している。しかし、脇坂安治への動員定数が1500人であることを考えると発見数と戦果は過大評価の可能性が高い。(翌年5月の晋州城攻撃時の脇坂軍の点呼員数は900人)
この海戦で脇坂安治は部将の脇坂左兵衛と渡辺七衛門を失い、海賊出身の真鍋左馬允は船を失って上陸後に責任感から切腹した。また脇坂艦隊の内、海戦中に船を放棄して閑山島に上陸した者が200人生還している。
脇坂の抜け駆けを知った九鬼と加藤の水軍は7月6日に釜山出帆、7日に加徳島、8日に安骨浦に停泊して後を追った。安骨浦に日本艦隊が停泊しているとの報告を受けた李舜臣は悪天候で足止めされた後、10日に停泊中の日本艦隊を襲撃した。
安骨浦は浅瀬で大型船の運用に危険が伴うため、李舜臣は日本艦隊を誘引する作戦を取ったが日本艦隊は誘いに乗らなかった。やむなく順次突入させて大砲を放つ作戦へ変更して朝から晩まで攻撃を繰り返した。攻撃を受けた日本艦隊は夜の内に安骨浦を脱出して帰投し、朝鮮水軍も翌日から根拠地へ帰投した。
李舜臣は自身の記録である「見乃梁破倭状」で日本艦隊の発見数を大船21隻・中船15隻・小船6、と記録している。
7月14日に閑山島海戦で脇坂軍の敗北を知った秀吉は積極的な艦隊出撃による海上決戦を禁止し、水陸共同による沿岸迎撃作戦への転換を指令し、武器弾薬や沿岸防備の増強を行った。この戦術転換は当時の水軍からすれば有効に機能しており、以降の李舜臣による水軍攻撃は成果が上がらなくなり被害が大きくなり出撃も減ることとなる（釜山浦海戦、熊川海戦、第二次唐項浦海戦、場門浦・永登浦海戦）。
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従来、日本や韓国でこの海戦が過大評価され続けてきた。
曰く、秀吉の水陸並進作戦を挫折させた。
曰く、日本側の補給路を寸断した。
しかし、当初の日本軍には朝鮮南岸を西進する明確な目標も作戦も投入兵力もなく、本海戦も朝鮮水軍の攻撃被害に対応して約20日前に急遽編成された日本水軍の更に一部の兵力の参加であり、本海戦をもって全戦局の運命を決めたような評価は不当であった。日本の海上補給は全戦役を通じて継続されており、遮断されたわけでもない。当時の水軍の能力では制海権の保持には非常に多くの制限があり、海戦に敗北したとしても戦局に大きな影響を与えるような要素ではなかった。かえって、本海戦の結果日本の海上作戦計画が本格的な対応を行ったことで従来の被害の低減と迎撃作戦が機能することとなった。（「朝鮮役水軍史」有馬成甫）
しかし、李氏朝鮮では初の明確な勝利であり政治的に「三大大捷」の一つとしてプロパガンダに利用されて以来歴代政権で政治利用が続いているし、日本でも海軍権益強化のための海上覇権論のために牽強付会が長らく敷衍されてきた。このため状況を考慮しない俗説が広く流布されており、今も政治性を排除した冷静な評価が待たれる状況が続いている。