配合明军作战的朝鲜军队在李益、金应瑞等人的带领下进攻城东，被日军守将宗义智击退。当时，小西行长被困在平壤城外的牡丹台，但明军并没有得到这一个有价值的情报，只派出一部分兵力佯攻牡丹峰上的一千多名日军，日军用鸟铳还击，明军马上退却，平壤城内日军蜂拥而出，抢夺明军掉下的十余面铁盾，乱成一团。明军乘机回击，日军慌忙逃窜入城。小西行长亦借机乘乱从牡丹峰突围而出，回到了平壤城内。当晚，明军用火箭击退了夜袭的日军。
正月初七，三营的明军又向平壤的普通门发起试探性的攻击，用佯退的战术吸引部分日军出城追击，然后再回师，斩首三十余级。
正月初八，明军环绕着平壤城的西北面向日本发起总攻，诸军鳞次渐进，尘土飞扬。其中，游击吴惟忠、副总兵查大受攻牡丹峰；中军杨元、右协都督张世爵攻七星门；左协提督李如柏、参将李芳春攻普通门；副总兵祖成训、游击骆尚志与朝鲜兵使李隘、防御使金应瑞等攻含毬门等等。副将祖成训利用日军轻视朝鲜军的心理，故意伪装成朝鲜军，企图打日军一个措手不及。
各路明军相继用大炮及火箭一齐射击敌人的阵地。佛郎机、虎蹲炮等大炮的炮声“响如万雷，山岳震摇”，硝烟弥漫数十里，天地晦暗。火势随着西风漫延入平壤城内。明军发射的一些火箭据说是有毒的，有的日军闻了毒烟会头昏呕吐，而攻城的明军则含了解药。
日军在炮火及火箭的压制之下顽强地用发射弹丸、砸下大石、泼洒汤水等方法使攻城的明军一度退却。李如松率领五百余骑兵来回指挥，并亲手杀死了一名退下的士兵，示众于阵前。
游击骆尚志将铳炮挟于腋下，大呼连放，不顾日军在城上施放的枪弹及巨石，率领浙兵强行登上了含毬门。而李如松直接下令明军用二门大炮轰碎了七星门的城门，明军步、骑乘胜进入城内。游击吴惟忠也率军攻上了城外的牡丹峰。各路明军纷纷突破了日军的第一道防线，李如松督令平壤城内的明军搬运柴草，四面堆积在一些日军据守的房屋外面，放火将其焚烧成灰烬。
但是，日军早已经在牡丹峰、七星门、普通门、风月楼及平壤城内其它地方筑了大量坚固的工事。残余日军藏身于土窟之内，一边躲避着明军的炮火，一边用鸟铳穿过土窟的洞穴而向外不断地射击，拼命抵抗。明军一时难以攻下。李如松的坐骑被鸟铳击中、吴惟忠的胸部中弹负伤、而骆尚志在登城时也被巨石砸伤足部。仗打到这个地步，明军已经伤亡数千了，只好暂时休战，班师回营。
经过一天的激战，日军损失惨重，小西行长见援军不至，便有意突围，下令一位名叫大石荒河助的勇士，脱下铠甲，身着单衣攀登上高楼，冒着明军发射的弓矢炮弹侦察出一条具体的突围路线来。而这时候的李如松为了避免继续攻城而加大伤亡，也派出使者要求日军统帅小西行长退出平壤城，小西行长随即予以答应，率“不满五千”的残部退出了平壤（川口长孺《征韩伟略》卷二），狼狈南逃。明军及朝鲜军堵截、伏击了一部分南逃的日军，随后，光复了黄海、平安、京畿、江原四道。
据统计，明军仅仅斩获日军的首级就达到1647人。但日军的伤亡总数不止这些，其连同被炮火轰炸、硝烟薰烧及其它原因而死的，总损失超过万人以上。而明军阵亡796人，受伤1492人。(宋应昌《经略复国要编》之《叙恢复平壤开城战功疏》)。
光荣属于大炮
此战，充分表现出火器的优越性，而明军的大炮在气势上完全压倒了日军鸟铳，赢得了荣誉。《（朝鲜）宣祖实录》之卷三十五记录了朝鲜国王李昖与其臣下李德馨进行的一番意味深长的问答，李昖问道：“铳筒（指日本人的鸟铳）之声，不与天兵（指明军）之火炮同耶？”李德馨回答：“倭铳之声，虽四面俱发，而声声各闻，天兵之炮，如山崩地裂，山原震荡，不可状言……”李昖赞叹道：“军势如此，可不战而胜矣！
在定西和榆中之间，有一个不太为人所注意的山沟---车道岭。今天这里安静详和，可是在六百多年前的1370年，这里是金戈铁马的战场。我省专家通过查阅史籍和实地考察，最终确定这里就是明军征战陇上的重要战场---沈儿峪。1370年的沈儿峪大战成为明军控制甘肃的决定性战斗，获胜的明军掌握了攻略甘肃的主动权。
明军三攻甘肃
元末明初，明军攻克甘肃的战斗波折不小，从洪武二年到洪武四年，明军主力先后三次进军甘肃，最后在沈儿峪彻底击败元军残余主力后，才彻底攻占甘肃。
明洪武元年（1368年），名将徐达率领大军北伐元政权，顺利攻克大都北京后，随即将进攻的主要目标定在追击逃亡漠北的元顺帝和扫平西北方李思齐、王保保等元军残余集团。
据《明史纪事本末》等记载，当时元军残余主力分为四部分：忽答驻扎在山西大同一带；扩廊帖木儿（王保保）先后占据山西、甘肃，纳哈出占据内蒙哲里木盟一带；失刺军占据甘肃的武威等地。
这四个元军残余势力，"引弓之士不下百万，归附之部落不下数千里"，还拥有大批的牛羊、武器装备，战争潜力非常巨大。
元将王保保的传奇
扩廊帖木儿（王保保）是元末比较有名的地方实力派，他是河南沈丘人。今天，很多人知晓他要归功于金庸的武侠《倚天屠龙记》。在该书中王保保是个非常忠于元朝皇帝的将领。在现实中也是如此，王保保对元顺帝忠心耿耿，连朱元璋都称赞他。元王朝是从蒙古高原上崛起的王国，元太祖成吉思汗几乎是白手起家，依靠过人的才智，短短几十年内就成为世界为之颤抖的人物。因而，朱元璋非常害怕元顺帝及其后来者，会像成吉思汗一样在短短的时间内再次崛起。故此，攻克大都后，朱元璋立即决定兵分两路乘胜追剿元军残余势力。明军主帅徐达率一路出西安，主要目标是攻占定西、临洮等地，追击盘踞甘肃一带的扩廊帖木儿、李思齐等人；另一路从居庸关出发继续追击逃亡漠北的元顺帝。出西安的明军，于洪武二年三月攻占凤翔府，将盘踞关中的元将李思齐击败。李思齐一退数百里，逃到甘肃临洮，观望明军进攻方向，同时摆出进入青藏高原的架势。徐达和明军各路将领商讨形势后认为，临洮是甘肃的军事要地，如占据临洮明军就可以夺取战略上的主动，向西南可以取河湟，向西可攻河西走廊。于是，明军在徐达的指挥下，一路西进，先后攻克陇县、天水、武山、直抵巩昌（今陇西），元军守将不战而降。随即攻克定西，然后明军分两路进兵，冯胜率一队人马取临洮；顾时、戴德率领一路进攻兰州。此时元军残余势力已四分五裂，人心不稳。李思齐无奈投降了明军，而兰州也被明军顺利攻占，占据兰州、临洮后，明军分兵进攻各地，陆续攻取会宁、静宁、平凉等地。至此，兰州及其周边的大部分地区为明军攻占，洪武二年九月，徐达、汤和等人率军班师回南京。谁知明军刚退，扩廊帖木儿就从河西卷土重来。兰州首当其冲，被扩廊帖木儿的大军团团围住。
大战沈儿峪
兰州守将张温一边坚守，一边派人向朝廷求救。扩廊帖木儿兵力强大，不仅在今天兰州白塔山东侧的山上修筑了王保保城，而且派出10万人马攻占定西和兰州间大片地方（即东岗镇到榆中车道岭一带），切断了兰州和定西之间的联系，其时，黄河已经结冰，蒙古骑兵通过冰桥很自由地在黄河上来往。扩廊帖木儿（王保保）围困兰州后，为了便于防守，除了在黄河北白塔山东侧修筑了一座城堡，又在东岗镇一带的山上修筑了城堡。
面对西北地区严重的局势，明政府再次出动大军征讨。此次，依旧是兵分两路。徐达率邓愈、汤和过潼关，大军直逼扩廊帖木儿。李文忠、冯胜则出居庸，追击漠北元军。徐达率军进逼定西，扩廊帖木儿（王保保）退守沈儿峪。沈儿峪当在今天定西和榆中交界处的车道岭。车道岭是平凉、天水通往兰州的咽喉，是一条西北东南走向的黄土山梁，长约24公里宽约3公里，最高处海拔2457米，如今316国道由此通过。