全州的明军守军也只有两千五百人，守将陈愚衷。
而朝鲜方面，因为漆川梁海战水军被日军伏击全军覆没，根本没有军力配合明军作战，只召集了一千多朝鲜兵帮助守卫南原城。
双方兵力的巨大悬殊，注定明军不可能打赢，但是杨元在收到日军大举来攻的情报后，没有率部撤离南原，而是立即加强防御，组织人力在城外挖掘了一条护城河，并将仅有的三门大炮安置在了城门上方。
南原城建于平原之上，没有任何地利可以利用，只有困守孤城死战。
战事很快就打响，面对坚守的明军，日军在小西行长的指挥下开始攻城。他们用火绳枪攻击守军，明军则同样用大炮和火铳反击。
杨元所部是骑兵，守城战使得骑兵优势无法发挥，从一开始，就陷入劣势。
随着时间的推移，南原城守军不断阵亡，士气逐渐低落。