八月十五日，杨元开始寻求与日军对话，他站在南原东门城楼上，派家丁对城下日军大声喊话。5名日军士兵闻讯赶来，走到东门外的石桥上，杨元使翻译与其对话。5名日军士兵与明军翻译进行一番沟通后，回到小西行长结阵的访岩峰，之后又折返回来与明军对话。杨元派出2名家丁，跟日军士兵到小西行长所在的访岩峰去，与之对话。小西行长馈赠了明军家丁一些粮饷，将他们送回南原城。
傍晚，5名日军使者骑马赶到南原城的东门，杨元令翻译带着使者从南门入城。杨元在龙城馆与日军使者谈话，使者将小西行长的意思转告给杨元，请杨元立即让出南原城。杨元虚张声势，对日军使者恐吓道：“吾自十五岁为将，横行天下，战无不胜！今以精锐十万，来守此城！退保？无命令也！”
日军使者见说服不了杨元，就从南门出了城，但又回头对南原城喊话道：“千余残卒，岂能当百万之众？天将有何恩于朝鲜，而致贻后悔耶？”
由于日军连日攻城，南原城的士气受到了极大动摇。城内明军士兵都哭了起来，朝鲜士卒也奔走哭泣。日军得知这些情况后，更加卖力地攻城。（《乱中杂录》）
当晚，突然下起了暴雨。庆念在《朝鲜日日记》中写道：
晚上开始下起大雨，像瀑布一样。阵营的房子只能临时用油纸遮蔽起来，无法阻挡暴雨，更无法睡觉，让人不禁想起《伊势物语》中鬼一口[12]的故事。大雨无情下，想起鬼一口。
八月十六日，日军割取南原城外的杂草和水田中的稻禾，捆绑成一大束，堆积在日军作为掩体的被焚民舍的残墙边，南原守军不解何意。傍晚，日军再次进攻南原城，但是被南原城守军用炮弹、短弓杀退。庆念的《朝鲜日日记》记录下了明军、朝鲜军抵抗日军的姿态：“炮弹短弓从城出，（日军）士兵未料突然死。”
日军不死心，再次催促杨元让出南原城，杨元也知道此城难保，有弃守此城的想法。城中之人非常恐惧，哭声如雷。在南原城的后方，明军游击陈愚衷领兵2000屯于全州，南原城的守军苦苦盼望援军到来。先前，杨元连夜派人向驻守全州的陈愚衷求救，但陈愚衷派人回信说，“恐顾彼失此也”，“非不欲救，信地难以轻离”，始终不肯出兵救援南原城。受此打击，南原城守军的军心更加动摇了。
晚上，南原城守军窃窃私语，他们准备了马鞍，想要逃走。一更（晚上7时至晚上9时）时分，南原城外喊声大作。日军一边搬运草束，用来填平南原城外的护城河；一边放铁炮攻击南原城，掩护搬运草束的部队。日军的铁炮弹丸犹如冰雹一样不断落下，南原城里的守军一开始还稍稍放炮、投石抵御，但没多久就士气崩溃，几乎人人缩着脖子，不敢往外看。一两个小时后，日军的叫喊声停了下来，草束已经将南原城的护城河填平了。填平护城河后，日军又在南原城外的羊马墙[13]堆积草束，顷刻间便堆得与南原城一样高，于是日军大部队踊跃登城。[14]负责守南原城南门外羊马墙的朝鲜将领金孝义见大势已去，逃入城内，结果城头上空无一人，只有城内处处火起。
二更时分[15]，南原城的南门被日军打开，日军举起枪、弓、铁炮，拿起长刀，杀入城内。（《渊边真元高丽军觉》）连日督战，因困倦而睡卧的杨元在帐中闻变，来不及披上衣服，就光着脚跑到南原城的大厅，脱掉传报官宁国胤的衣服、靴子自己穿上，抛弃城内的明军、朝鲜军，只带领一些随从[16]，从南原城西门逃走。此时把守西门的，是以小西行长为首的15900名日军士兵。而杨元的随从人员很少，他是如何在重重包围中突围逃走的，有三种截然不同的说法。
第一种说法，据《宣庙中兴志》记载，杨元独与数名骑兵溃围而出，“跳荡如神，贼终不能害之”，认为是杨元奋战杀出重围。
第二种说法，据《朝野会通》《宣庙宝鉴》记载，杨元是通过换马的战术才杀出的重围。杨元突围时，城外的日军设立木栅，阻挡明军的骑兵突围，又在木栅上绑上刀剑。杨元为了突围逃走，先鞭打一匹骏马，使其向前驱驰，这匹马撞上木栅上的刀刃后倒地不起。杨元又不断鞭打其他马匹，使这些马重复第一匹马的动作，不断向木栅驱驰。如是再三，这些马不断撞上木栅上的刀刃而死，最终马匹的尸体堆得和木栅一样高。于是杨元自己骑上马，踩着马尸越过了木栅。杨元原本想带着朝鲜接伴使郑期远一起逃走，但郑期远不会骑马，屡次从马背上掉下来，因此未能与杨元一起逃走。日军在后面追赶得很急，杨元同时带着四五匹马逃命。逃跑途中，杨元骑胯下的马累了，他就换乘另一匹马。而马也通晓人意，杨元骑着其中一匹马逃走时，其余马匹并不靠在一起，而是跟着四散逃走，等杨元招呼它们时，又重新聚集在一起。如此再三，杨元得以突围而去。
第三种说法，据《西厓集》记载，“或云倭知为总兵，故使其逸去也”，认为是日军知道杨元的身份，故意将他放走。清代钱谦益所著的《牧斋初学集》也持这一看法，原文记载称：“（寺泽）正成嘱（小西）行长护持杨副将，勿使殒伤。庶处分之请，不致破坏。（加藤）清正夜袭南原，一鼓登城，行长令朱元礼等于醉梦中扶掖杨元上马，疾驰出城，从者才四五骑。元礼等殿而遮护之，慬然后免。”此书认为，是小西行长遵照寺泽正成事先的吩咐，故意放走了杨元，让军中的翻译人员朱元礼扶着睡得昏昏沉沉的杨元骑马出城。但书中提到加藤清正夜袭南原的事情并没有发生，加藤清正当时隶属日军右军，没有参与日军左军攻击南原城的行动。
相较而言，第一种说法不太合常理，杨元突围时兵力非常有限，敌不过西门外的上万日军，不可能就这样轻而易举地杀出重围。而第二种说法看上去更像是武侠小说中的桥段。杨元在刚得到日军杀进南原城的消息时，表现得非常狼狈，甚至来不及穿上衣服和鞋子，不可能在逃走的时候如此镇定和神勇。从当时的情形看，应该是围堵西门的小西行长故意放走了杨元，否则杨元根本不可能轻易突出重围，因此第三种说法更加贴近实情。而日军这么做，恐怕是为了之后能够与明朝继续谈判，因此不敢做得太绝。
值得注意的是，尽管小西行长故意放走了杨元，但他自己在南原之战中不仅奋勇争先，还表现得异常凶猛。根据日本史料《户川记》的记载，小西行长勇猛异常，亲手捣破南原并俘虏1000余人，其中多为女子。正因为如此，经理朝鲜军务的明朝右佥都御史杨镐听说南原被破后，认为小西行长非常狡诈，此前一直假装与明朝议和，让明朝大官为其迷惑，而真正到了打仗的时候却直接下死手。他略带讽刺地说：“行长极有才，使天朝大官俱为其所惑，其才真过人矣。打破南原，杀天兵三千者，非行长而谁欤？如是而都说行长守约，此极有本事。”（《宣祖昭敬大王实录》）
杨元从西门逃走以后，日军从南门攻入南原城，在夜色中乱砍乱斫。城内明军骑上马，和朝鲜军逃到北门，想要逃出城去。但是北门城门紧闭，未能立即开门，骑兵们被堵在了路上。过了一会儿，北门开启，明军骑兵相互争抢着夺路而出。（《惩毖录》《乱中杂录》）然而，北门外是以岛津义弘、加藤嘉明为首的13200名日军士兵，他们各守要路，重重围困住了想要逃走的明军和朝鲜军。月色下，日军挥动长刀，对明军、朝鲜军展开了屠杀。最后逃脱的明军、朝鲜军士兵，寥寥无几。有一明军士兵爬到树上，想要躲过一劫，但是岛津义弘亲自拿起铁炮，射杀了这名明兵。（《岛津家高丽军秘录》）
从《惩毖录》《乱中杂录》两份朝鲜史料的记载来看，明军、朝鲜军是在南原城的北门被日军集中歼灭的。但根据日本史料《大河内秀元朝鲜记》的记载来看，除了北门以外，明军、朝鲜军在其他三个城门也遭到了日军的屠杀，不单单是在北门被歼。据此书记载，攻打南门的宇喜多秀家、藤堂高虎、太田一吉斩得1001颗首级，攻打西门的小西行长、胁坂安治、竹中重利斩得1034颗首级，攻打北门的岛津义弘、加藤嘉明、菅达长斩得951颗首级，攻打东门的蜂须贺家政、生驹亲正、生驹一正、毛利吉成、毛利吉政、秋月种长、高桥月种、伊东祐兵、岛津丰久斩得740颗首级，日军左军全军总共斩得3726颗首级。这些首级，既有明军的，也有朝鲜军的。
相较朝鲜史料认为明军、朝鲜军集中在北门被日军屠杀，日本史料更倾向于明军、朝鲜军在四座城门遭到了不同程度的屠杀。
混战之中，杨元的中军李新芳，千总蒋表、毛承先，以及朝鲜接伴使郑期远、全罗道兵使李福男[17]、南原府使任弦、防御使吴应井、助防将金敬老、别将申浩、判官李德恢、求礼县监李元春、通官李春兰，全部被日军杀死。南原城内原先有辽东官兵、家丁等3117人，最后只剩下170余人活了下来。（《经略御倭奏议》）顺利进入南原城的700多名朝鲜援兵，则全部被日军杀害。（《宣祖昭敬大王实录》）
又据《乱中杂录》记载，南原城中前后死了5000余人，城内公家建筑和私人房舍皆被日军焚毁。5000余人这一数字，应包括了南原城中的平民百姓。
庆念在《朝鲜日日记》中写道：
残酷的人世啊，男女老少都死了……昨天还没有想到自己会死，今日就化为烟云了。无常变迁，人世沧桑。谁见人之上，今日命将终。
而日军方面，在整个南原之战中，付出了阵亡百余人的代价。（《宣祖昭敬大王实录》）
明军游击陈愚衷的不救援行为，一向被认为是南原城陷落的重要原因之一。当日军进攻南原时，杨元连夜派人向驻守全州的陈愚衷求救，但陈愚衷始终不肯出兵救援南原城。《两朝平攘录》的作者诸葛元声为此指责陈愚衷，认为陈愚衷得到杨元的求援以后应该立刻发兵救援南原城，约定日期、举火为号，与杨元夹攻日军，则可以击退日军。又说，即便陈愚衷不能救援南原城，在南原城外围牵制日军也可以，一来使日军不能全力攻打南原城，二来使南原城的守军能够坚定守城的信心。
对于陈愚衷不肯发兵救援南原城的原因，《明神宗实录》认为是陈愚衷“懦不发兵”，《两朝平攘录》也认为陈愚衷“畏懦”，都归罪于陈愚衷的懦弱。但在日本史料中却有另一番解释。据《义弘公御谱中》《面高连长坊高丽日记》记载，日军左军包围了南原城以后，岛津义弘父子、加藤嘉明列阵于南原城北岭的多松大山，多方警戒，阻断了全州救援南原的道路，因此陈愚衷始终不能够发兵救援南原城。由此而言，无论陈愚衷究竟有没有想要出兵救援南原城，道路都是被日军阻断了的。而且一个非常现实的因素是，陈愚衷手上的兵力只有2000人，加上杨元的3000人，也不过只有5000人，难敌近6万日军。
《明神宗实录》说陈愚衷“闻南原已破，亦弃城北遁”，在得知南原城陷落后就立刻放弃全州逃走了。但这并不完全是事实。南原陷落以后，朝鲜全州府尹朴庆新最先得到消息，他递交禀帖给陈愚衷，要求弃城逃走，但是被陈愚衷拒绝。结果八月十七日，全州爆发了大规模的骚乱，城内百姓当晚哗变，或烧毁米仓，或打死、打伤守城门的明军，撞开城门逃走。朴庆新也砍断门闩，趁乱逃出城去。全州满城灰烬，粮饷尽绝。（《经略御倭奏议》）
尤其令人感到诧异的是，据从南原逃出来的明军将领黄仲仁称，他看到围攻南原城的队伍里全是朝鲜叛民。（《经略御倭奏议》）这一番话固然有所夸大，但可见有许多朝鲜叛民在南原之战中给日军带路，并且成为伪军参与了攻城。南原城的陷落，除了杨元、陈愚衷要承担责任外，朝鲜叛民同样难辞其咎。
八月二十二日，身为败军之将的杨元被人用肩舆抬回了王京，朝鲜国王李昖亲自在王京的南大门外迎接杨元。杨元因为中枪负伤，躺在肩舆上不能动，他让人向李昖表达谢意：“委来迎待，不胜感激。第俺中枪，不能起居，未果相拜，尤切惶恐。”
李昖站在路旁，抚着杨元身下的肩舆，流着眼泪说道：“大人以小邦之故，至于此极，无任惨痛之至。”
杨元通过翻译听懂了这句话，也流着眼泪说：“多谢厚眷。”（《宣祖昭敬大王实录》）
李昖哭得更加伤心了，身边的人受到这一情绪感染也哭了起来。
九月，日军攻破南原城的消息传到大明，明神宗大怒，下令将力主册封、坚持与日本议和的原兵部尚书石星下狱论罪，并将他的妻儿发配到南方瘴气之地。
实际上，除了石星以外，前任备倭经略宋应昌、顾养谦，以及内阁大学士赵志皋也都力主封贡，与日本议和。但是这时，明神宗只处置了石星一人，没有清算其他人。其中缘由，根据《明史稿·石星传》的解释，是因为明朝出现封贡之议，是从石星任用沈惟敬之后才开始的，并且每次朝廷对封贡问题进行争论时，赵志皋都将责任推到石星身上。所以到了最后，只由石星一个人承担责任。
石星入狱后，仍然上书朝廷，请求罢兵，停止继续出兵朝鲜，以节省明朝的财政支出。他仍为大明着想，很多人非常同情他，但朝廷终究没有赦免他，两年后石星竟然死于牢狱中。一代兵部尚书，其命运如此，令人唏嘘。
另一方面，在南原战败的杨元也逃脱不了被朝廷处置的命运。虽然杨元“死中得生，幸则大矣”，然而“中朝之法，败军则诛”。次年五月，明朝兵部向明神宗请求对败军之将杨元执行死刑：“东征裨将杨元南原之败，亡官军二千七百，马三千四百余，请速正典刑。”（《明神宗实录》）
明神宗在批复中表示同意，杨元因此被斩首，首级被传视于朝鲜。