1592年5月27日，日本水师不甘失败，转而向庆尚南道的泗川进攻。李舜臣得知消息后，立即于5月29日率龟甲船队23艘出发，迅速驶至泗川海湾外面。当时海湾内共有12艘日本楼船，但日军对上次海战失利犹有余悸，因此当他们见到朝鲜水师驰援，便迅速逃至陆上，在山上布防。李舜臣于是命朝鲜水师假装撤退，以引诱日军登船追击，结果日军中计。这时正好潮涨，大大有利于朝鲜水师的龟甲船和板屋船这类大型舰船活动，因此当日舰出动时，李舜臣即下令众舰船迎击。很快地，日舰便被打败。而李舜臣虽然在战斗中负伤，但仍继续指挥官兵杀敌，结果12艘日舰全部被击沉。

经此战役，日本水师再不主动进攻，而改为防御和偷袭朝鲜水师。