日本主将——第六军团指挥官小早川隆景认为，这是明军总攻的前兆，消灭眼前这支孤军是在明军总攻之前消灭其有生力量的绝佳战机，他计划以绝对优势兵力围歼这支明军，在短时间内迅速结束战斗。此时小早川隆景绝没有想到，自己吞下的不是一块肥肉，而是一块烧红了的烙铁。
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被包围是由明军副总兵查大受指挥的3000辽东铁骑，曾经在关外与沙漠蛮族较量过的百战雄师，明军精锐中的精锐，配备了佛郎机火炮战车(最大射程 1000米，后填装弹，发射散弹时一发炮弹带有500发子弹，可以封锁60米宽的正面)和大量三眼火铳、集束火箭(明军常备武器中的一种，手动点火，射程 300米，一次发20枝的称为“火龙箭”，32枝的称为“一窝蜂”，49枝称为“飞廉箭”，100枝的称为“百虎齐奔”)。
碧蹄馆一战，3000明军(到战斗即将结束时增至5000)与十几倍的日军激战一昼夜，以战车为工事，先以佛郎机炮、三眼火铳、集束火箭的压倒性火力优势大量杀伤日军，再以骑兵的短促出击消灭逼近的足轻步兵，击退了日军一次次潮水般的进攻。战斗进行到最惨烈的阶段，明军仅余900余骑，弹丸、火药全部耗尽，但大明军旗始终屹立不倒，高高飘扬在碧蹄馆上空。
残酷的战斗持续到25日，李如松和明将杨元各率领1千明军精骑连夜前来救援，从日军侧翼发起猛攻，日军经过一昼夜激战伤亡惨重，已成强弩之末，误认为明军主力发起总攻，遂仓惶撤回王京。
此战，明军伤亡2500余人，日军伤亡超过8000人。据日本《立花家传》、《武将列传》记载，日军阵亡将领包括：
小野成幸 十时连久 池边永晟 安东幸贞
小川成重 安东常久 久野重胜 横山景义
桂五左卫门 内海鬼之丞 伽罗间弥兵卫 手岛狼之助
汤浅新右卫门 吉田太左卫门 波罗间乡左卫门，一昼夜交战阵亡将领高达十五员之多，可见当日战况之惨烈。
