在前线督战时，坐骑被日军火枪击中，当即换马再战。其弟李如柏的头盔中弹，兄弟二人皆毫无惧色，指挥若定，可以说，作为主帅，李如松的镇定、果敢、勇猛给了明军将士巨大的精神鼓舞，是明军取得这场胜利的一个重要因素。
正午时分，10000名化装成朝鲜军的戚家军及辽东铁骑，利用日军的麻痹轻敌攻上城南的芦门，砍倒了日军军旗，插上了明军的旗帜，明军不断攀上城头，欢呼声响彻云天。城头日军闻讯，纷纷弃城而逃，随后七星门也被明军大炮轰塌，明军骑兵突入城内，在普通门督战的小西行长下令残军退入城内的各土堡中死守，作最后的困兽之斗。
在城内，日军残余主力约9000人龟缩在练光亭、七星、普通三座大土堡及周围的十几座小土堡里负隅顽抗。由于道路狭窄崎岖，明军的大炮推不上来，日军火力很猛，进攻部队伤亡很大。李如松果断停止攻击，采取围三缺一的战术，留出南面大道，诱使日军突围，同时派出信使给小西行长送信，大意是日军败局已定，为避免双方不必要的伤亡，只要日军撤出平壤，明军将不予拦截。小西行长接到李如松的信后犹豫不决，但是战场形势迫使他发起突围。天黑后，日军派出斥候警戒，见无明军拦截，各土堡内大队人马蜂拥而出，借夜色掩护向城南杀去。
日军一路畅通无阻冲出城外，城南不远就是大同江，时值隆冬，十里宽的江面全部冰封，日军先头骑兵部队迅速通过，日军大队人马喜出望外，争先恐后的过江，一时间江面上布满了人群。就在这时，早已隐蔽待命的明军火炮突然开火，江面的冰层被炸开无数条口子，日军乱作一团，使冰层大面积崩塌，成群的日军掉进江水中，被顺流冲到冰面下。侥幸逃上南岸的日军则被埋伏在南岸的明军骑兵部队袭击。惊骇万状的小西行长率轻骑部队一路狂奔，沿途被明军追杀，最后在开城日军的接应下撤回黄海道。
平壤战役的胜利，打掉了侵朝日军的嚣张气焰，平安道、江源道、黄海道、咸镜道、开城的日本驻军纷纷弃城南逃，全线后撤400余里。李如松率军入朝参战仅仅一个多月，便收复失地五百余里，朝鲜三都十八道已收复平壤、开城二都及黄海、平安、京畿、江源、咸境等五道。大军继续向南开进，兵锋直指王京汉城。
明军的一支侦察部队，在汉城郊区迎曙驿与日军北上诱敌部队加藤光泰部遭遇并爆发激战，明军大胜，斩首若干。加藤光泰败退后，立刻报告了汉城日本军总部，随后，日军第六军团主力、第三、第九军团各一部共36