在城内，日军残余主力约9000人龟缩在练光亭、七星、普通三座大土堡及周围的十几座小土堡里负隅顽抗。由于道路狭窄崎岖，明军的大炮推不上来，日军火力很猛，进攻部队伤亡很大。李如松果断停止攻击，采取围三缺一的战术，留出南面大道，诱使日军突围，同时派出信使给小西行长送信，大意是日军败局已定，为避免双方不必要的伤亡，只要日军撤出平壤，明军将不予拦截。小西行长接到李如松的信后犹豫不决，但是战场形势迫使他发起突围。天黑后，日军派出斥候警戒，见无明军拦截，各土堡内大队人马蜂拥而出，借夜色掩护向城南杀去。
日军一路畅通无阻冲出城外，城南不远就是大同江，时值隆冬，十里宽的江面全部冰封，日军先头骑兵部队迅速通过，日军大队人马喜出望外，争先恐后的过江，一时间江面上布满了人群。就在这时，早已隐蔽待命的明军火炮突然开火，江面的冰层被炸开无数条口子，日军乱作一团，使冰层大面积崩塌，成群的日军掉进江水中，被顺流冲到冰面下。侥幸逃上南岸的日军则被埋伏在南岸的明军骑兵部队袭击。惊骇万状的小西行长率轻骑部队一路狂奔，沿途被明军追杀，最后在开城日军的接应下撤回黄海道。
平壤战役的胜利，打掉了侵朝日军的嚣张气焰，平安道、江源道、黄海道、咸镜道、开城的日本驻军纷纷弃城南逃，全线后撤400余里。李如松率军入朝参战仅仅一个多月，便收复失地五百余里，朝鲜三都十八道已收复平壤、开城二都及黄海、平安、京畿、江源、咸境等五道。大军继续向南开进，兵锋直指王京汉城。
明军的一支侦察部队，在汉城郊区迎曙驿与日军北上诱敌部队加藤光泰部遭遇并爆发激战，明军大胜，斩首若干。加藤光泰败退后，立刻报告了汉城日本军总部，随后，日军第六军团主力、第三、第九军团各一部共36000余人先后赶到战场，他们认为这是明军的大部队，准备将这支明军包围在汉城以北十五公里一座小山丘上的碧蹄馆，一场前哨战迅速演变成为一场大规模的战场遭遇战。
日本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。被包围是由明军副总兵查大受指挥的3000辽东铁骑，这支精锐部队配备了三眼神铳。碧蹄馆一战，3000辽东铁骑与强于己方的日军激战一昼夜，残酷的战斗持续到二十五日，李如松和副将杨元先后率骑兵共2000前来救援，从日军侧翼发起猛攻，日军经过一昼夜激战，已成强弩之末，误认为明军主力发起总攻，遂撤回王京。
此战，李如松报称明军阵亡二百六十四人，斩获日军首级一百六十七人。而据日本《立花家传》《武将列传》载，日军阵亡“武将”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日军“武将”高达十五员之多，可见战况之惨烈。小早川隆景战后向丰臣秀吉汇报时声称打退了10万“明军铁骑”的进攻，实际当时明军在朝总兵力不过才4万。
碧蹄馆大战，是中日壬辰战争中明军的一次失利，这一点得到了现代史书的确认，日军感到失去了与明军野战的信心。12万日军面对3万余明军不敢出战，而明军由于兵力有限，无法展开强攻，于是双方在汉城一线展开对峙，战局陷入僵局。
李如松在得知汉城日军的军粮库在龙山大仓后，密令查大受和李如梅率敢死队700勇士深夜奇袭龙山大仓，将十三座大仓，数十万石粮食全部烧毁。军粮一失，日军陷入前所未有的困境。此后，朝鲜瘟疫流行，征发粮食不易，日军被迫与明朝达成停战协议，日军撤出汉城，大部分退到了釜山一带，交还了俘虏的朝鲜王子，李如松开进汉城，收复庆州。至此，除全罗和庆尚二道部分沿海地区为日军所占领外，其余各地全部收复，明军留下一万人驻守朝鲜，其余大部回国。
此役，东征大军在入朝参战的短短四个月的时间里，掠地千里，横扫半岛，收复平壤、开城、王京三都。
李如松回国述职，朝廷论功，加其为太子太保，中军都督府左都督。辽东总兵官一职空缺，廷议再三推举人选，神宗特以中旨用李如松为辽东总兵官，言官争相劝阻，明神宗不听，李如松闻讯，“感帝知，气益奋”。
鞑靼土蛮犯辽东，李如松率轻骑追击捣巢，与数万鞑靼骑兵遭遇，李如松率所部三千余人浴血奋战，阵亡于抚顺浑河一带，终年五十岁，神宗闻讯后“痛悼”，令具衣冠归葬于顺天府宛平县长辛店之西南，并追赠李如松为少保、宁远伯，赐谥号“忠烈”，为其立祠纪念。
