在朝鲜即将沦丧之时，唇亡齿寒，神宗也必须要考虑到明朝的安全。当祖承训战败的消息传到北京后，神宗皇帝也开始重新审视自己的对手。祖承训兵败，出于对朝鲜国王李昖安全的考虑，神宗当即派遣骆尚志、查大受出兵朝鲜，保护李昖的安全。
在入朝军队的选择上，神宗皇帝派出了当时明朝最为精锐的部队，辽东铁骑与南军。辽东铁骑为李家嫡系，是当时明朝最为优秀的骑兵，火器配备率高，更有三眼火铳等先进武器，堪称当时世界上第一支枪炮部队，在以后的战争中辽东铁骑发挥着重要的作用。另外一支军队南军，即为戚家军，这支部队有着丰富的对倭作战经验，可以说是倭奴的克星，戚家军以其强悍善战、纪律严明而著称，可以说是当时明朝最为优秀的步兵。
沈惟敬第一次出使平壤，使明朝能够获得近两个月的时间来进行战争准备。同时，将战争拖至正月，朝鲜半岛进入冬季，有利于明朝军队，尤其是辽东骑兵的发挥，而日军却不谙寒冬，使战争的优势倾向于明。沈惟敬第二次出使朝鲜则由于约期将至，为打消日本的猜忌，为明朝赢得更多的时间。
当明朝与日本两国的士兵起冲突之后，小西行长仍认为，这只是双方之间的误会，所以特派亲信前来澄清，李如松又一次将计就计，许以和谈。所以，在明军抵达平壤城时，日本人俱穿花衣，夹道迎接，李如松认为，此时进攻正是最佳时机，所以命令全军出击，但由于明军一时难以反应和理解，所以错过了最佳机会，让日军发现了行动计划，立刻紧闭城门，固守平壤。现在明军兵临城下，强攻平壤势在必行。
平壤城为高句丽古都，朝鲜三都之一，依山傍水，三面丘陵，一面临江，易守难攻。通过实地观察，李如松已经制定好了攻城计划。据守平壤的日军部队为日第一军全部和第二军部分，丰臣秀吉的嫡系部队，装备精良，是日军中战斗力最强的部队。在真正攻城之前，李如松进行了数次佯攻，用以试探日本。
万历二十一年正月初八，平壤战役正式打响。北门外牡丹峰高95米，为平壤城最险要处，易守难攻。吴惟忠所率领的南军，抗倭经验最为丰富，用南军进攻牡丹峰，并非佯攻，而是全力进攻，实际上是为了牵制日军的兵力，为其他城门的进攻赢得时间，并不是要求北门最先攻破。
南面的含毬门，地势平坦，不利于军队隐蔽，所以不利于攻城军队进攻，在之前的佯攻平壤城时，李如松有意不进攻南门，实际上是想让小西行长忽视南门，所以小西行长在部署城防任务时，并没有对南门作为重点防守地点。李如松特命副总兵祖承训将明军士兵换上了朝鲜兵的军装，以让日军有轻敌之心，从而为抵达含毬门争取更多的时间。
因为南门不利于攻城，小西行长将守护南门的任务交给了投降的朝鲜军队5000 人，祖承训等得以顺利到达含毬门。攻上南城的是明军的精锐部队，祖承训率领的辽东铁骑与骆尚志率领的戚家军，而守卫南门的朝鲜军队自然难以抵挡，但小西行长的军队机动性也很高，反应迅速，看见伪朝军队难以抵挡，便迅速过来支援，但为时已晚。明军攻破含毬门，率先从此门攻入平壤。
西门的战斗异常激烈，李如松身先士卒，指挥战斗，以弗朗机炮，炮轰平壤城，这种炮，由葡萄牙炮改装而来，是明朝时期先进火器的代表之一。当然，日军的战斗力也非常强悍，炮声响后，日军在短暂慌乱之后，立刻进行了有组织的抵抗，主将小西行长也带伤上阵，鼓舞士气，明军的进攻立刻受到了强有力的阻碍，稍有退却之势。
在攻城战中，由于双方所处位置有高低之差，守方借城墙优势，进行阻击，定会给攻方带了巨大伤亡。南门骆尚志之所以能很快攻入平壤，只是因为南门的守军为伪朝鲜军队，战斗力差，无抵抗之心，而西门为日军重点防守地区，所以难度可想而知。在这种情况下，明军将士停住了进攻步伐，有后退之意。
面对这种危急局面，李如松刀斩后退的士兵，巡视三军，杀一儆百，起到了震慑作用，而身为主将，身先士卒，在战马被毙，本人摔倒，鼻孔流血的情况下，李如松仍能镇定自若，攻城杀敌，这无疑是对将士士气的一种鼓励。同时又以物质奖励，激励众将士，拼死破城。
此后，由于双方均将西门作为主战场，丝毫不放弃，两军出现了僵持局面。明军由于仰攻，地势不利，伤亡增加，而北门只起到分兵日军的作用，不能破城。南门军队虽然此时已攻破城池，但由于平壤城大，从南向西增援，需要时间，而且，小西行长已经派军队对南军进行阻击，明军伤亡人数开始上升，形势不利。
危急时刻，李如松命人抬来大将军炮，这种炮，长三尺有余，重百斤，炮弹重五斤，李如松命人点火发炮，七星门终于被轰开，明军蜂拥而入。破城之后，又防止日军逃跑，所以布置了铁蒺藜和虎蹲炮等物，同时为减少伤亡，放毒火、毒烟，消灭日军有生力量，面对如此局面，日军只能放弃城门，避入城内。
在城门失陷之后，日军也有“领土必争”之意，丝毫没有放弃之心，以守卫本国领土的决心来捍卫平壤。日军退入城内，盘踞在风雨楼、牡丹峰和练光亭三个制高点，继续阻击明军，进行激烈的巷战。李如松无奈，只能放火烧之，日军损伤过半，但主将小西行长仍然率军固守于七星门和普通门的最高点，在这种情况下，李如松退兵回营，放开路口，让小西行长逃走。
从明日两军将士的心理来看，此时，两军已发生明显的心理变化，明军胜利在望，每位将士都想活着看到胜利，活着得到奖励，所以进攻积极性肯定减弱，而日军此时属于困兽之斗，必然拼死相争，以寻求生还的可能。所以李如松这时给了日本人生还的希望，同意让开道路，让日军退走，从而达到减少伤亡，光复平壤的目的。