九月二十日，刘铤、李应轼、监军王士琦率领两万明朝联军抵达顺天倭城，顺天倭城也是坚固无比，虽然没有岛山城那么高耸，但却显得气势磅礴，整个顺天倭城建在海边上，东面是海湾，里外三层，可以说是易守难攻。
小西行长站在顺天城上看着明朝联军如风卷云舒般驰来，城外日军迅速入城，并关闭了城门，联军在顺天倭城北面扎营，小西行长手下一万三千兵马，俱是精锐，看来一场大战不可避免。
二十一日，二十二日，二十三日连续三天的炮击，整个顺天城上空昏天黑地，明军的炮声隆隆，顺天倭城上日军修建的木制哨楼全部被摧毁，日军都躲在房屋和工事内度过这难熬的三天，在硝烟的弥漫下，很多日军嗓子嘶哑，面目漆黑。二十四日，炮声终于停止，刘铤骑着马在军中转来转去，思考破敌之策。
当天夜里，刘铤把李应轼招到中军帐内。
“顺天城内倭寇兵精粮足，且城池高大、坚固，若要强攻，我军必遭受损失，听闻小西行长乃倭军中的主和派，我看能不能诱其出城谈判，然后杀之，正所谓不战而屈人之兵。”刘铤说。
“此计可以一试。”李应轼说。
二十五日，明军中有一名军士跑到顺天城下，拿着两面黄旗对摇了起来。小西行长跑到城头一看，知道是停战的意思，小西行长纳闷起来。不大一会，顺天城门“咯吱”一声响，一个日军士兵跑了出来，日军士兵跑到摇旗的明军士兵面前，明军士兵从怀里掏出一卷锦帛递给了日军士兵。
小西行长打开这卷锦帛，上面写的都是汉字，小西行长不懂汉语，但大致意思看的懂。刘铤在信中说，为了避免两军伤亡，建议和谈，具体事宜请小西行长亲自赴城外谈判。
小西行长把信递给了松浦镇信，松浦镇信看了看说：“刘铤的话不可信，此人在明军那里是主战派，奸诈无比，这样的人怎么可能跟我们和谈？”
“那这事怎么办？”小西行长问。
“我看将计就计，我们不是有四千骑兵嘛，你看明军的队形，前面是炮兵，中军和两翼都是步兵，后面是骑兵，我们带四千骑兵出城谈判，然后乘势砍杀，明军队伍必然大乱，再以步兵掩杀，我军必胜。”松浦镇信说。
“那这事派谁去说？”小西行长问。
“你这里不现成有一个嘛。”松浦镇信说。
顺天倭城的门开了，沈惟敬走了出来，沈惟敬精神抖擞、容光焕发的走向明军大营。沈惟敬来到中军大帐，刘铤坐在那里。
“在下大明游击将军沈惟敬，奉小西行长之托，前来谈判。”沈惟敬说。
“阁下是谁？”刘铤问。
“大明五品游击将军。”沈惟敬答。
“哈哈！大明游击却来自倭营，代表倭寇谈判，说你是倭寇，却又说汉语，姓汉姓。”刘铤笑道。
“刘铤！都说你干脆利落，怎么也婆婆妈妈的？好了，我们谈正事。”沈惟敬正色道。
“你既是代表敌方谈判，那么敌我双方的调侃、蔑视这很正常，沈游击莫要回避这些，你这样会让刘总兵没面子的，也是不尊重刘总兵，若想谈判能够正常下去，游击只要能解释清楚即可。”李应轼说。
“万岁爷要杀我，小西行长救了我，我并没有做出对不起大明的事情，我所作的一切都是为了和平。”沈惟敬说。
“你跟他谈吧。”刘铤对李应轼说，随即离开现场。
“气量狭小，看似高山，实则丘陵。”沈惟敬看着刘铤的背影说。
“小西行长要求带一支骑兵出城谈判，以保证安全。”沈惟敬对李应轼说道。
“其中是不是有诈？”李应轼问。
“这个有可能，你们要做好准备。”沈惟敬说。
接下来，沈惟敬和李应轼商量于九月二十八日双方在城外谈判。
二十八日很快来到，小西行长、有马晴信带着数千骑兵从北门出城，明军和朝军的队列仍然很严整，刘铤已经让人在远处搭建了一座大大的看台，刘铤端坐在上面。日军骑兵刚来到平地上，便对明军发起攻击，数千日军骑兵拿着太刀向明军队列冲去，明军和朝军纷纷后撤，刘铤将旌旗一招，明军立刻退到两边，数百名天竺兵和得愣兵冲上前来，端着多发弩机向日军射击，弩剑射完后，二百名缅兵端着火枪又上来，二百名缅兵分成五排端着长长的火绳枪一排排向日军射击，日军不顾箭弩和火枪的射击，径直向中军奔来。此时，鼓点突变，弓弩手和火枪手迅速向两边撤退，三千川军骑兵冲了过来，立即跟日军搅在了一起，这时候两千明军骑兵分成两队从日军后面抄过来，四千日军骑兵顿时被围了起来。刘铤站在看台上变换了旗帜，周围的步兵举着旗帜来回奔跑，明军排成了一个车轮状的阵形将日军困在里面，外围的明军不断派出小股的步兵拿着长枪骚扰日军，骚扰一下又退了回来，其他小股的步兵又接替上去，小西行长不敢恋战，带着众人不顾一切的向南突围，刘铤手下的骑兵乘势掩杀。这时候，城内的日军也赶出来增援，参军吴广带着二千苗兵用火炮和弓弩阻击，援军很快被打了回去，战斗一直进行到下午，小西行长、有马晴信浑身是血的带着几百骑突出重围返回顺天城，丢下了一地的日军尸体。
二十九日，三十日，刘铤让人在顺天城下挑衅日军，日军紧闭城门，城上的日军也都躲在碉堡后面。
十月一日天还没亮，顺天城海岸就传来炮声，小西行长在睡梦中惊醒。松浦镇信来报：“陈璘、李舜臣水师已经抵达顺天海湾，正对我城进行猛烈炮轰” 。
“明军有何动静？”小西行长问。
“大营中一片静悄悄。”松浦镇信答。
“让他们轰，把我们的船只隐藏好，不要让他们轰了，不然我们都回不了国。”小西行长说完继续睡觉。
辰时，对顺天倭城的总攻终于开始。明军的福船停靠在东边的光阳湾内，福船竟比顺天倭城一城还高，明军在船上用虎蹲炮居高临下的开炮，城上的日军顿时灰飞烟灭。陈璘、李舜臣五千水军已经弃船登陆，五千水军在城下用绳索攀城，攀登中，朝将蛇渡佥水使黄世得被铁炮击中而死。此时，刘铤也做好了攻城准备，一声炮响，明军推着火炮车向丘陵上运动，边前进边开炮，大批的士兵拿着盾跟在后面，还有很多士兵扛着飞梯瞄着腰前进，在火炮的掩护下，明军的先锋抵达顺天北城下迅速搭好梯子，一千多名暹罗兵手持藤牌和弯刀开始登城。日军躲在城墙上的工事后面向城下联军射击，城上工事分两层，底层是暗堡，砌有射击孔，上层站人，专门向下扔石块和檑木。底层工事由于射击孔狭小，里内日军的视野不开阔，对城外联军的威胁并不大，眼看明军攻势越来越猛，底层的日军纷纷跑到上层向下射击。城下，吴广组织了十几人，全身包裹起来，带着震天雷向上攀爬，爬上去后将震天雷从射击孔里塞进去，然后迅速跳了下来。“轰！轰！”的几声，城上的工事被炸塌，明军迅速登城，日军迅速在城头上组织抵抗，越来越多的明军从北面和东面蜂拥上城，眼看抵挡不住，日军退入第二道城。
二城也建在丘陵上，地势平缓，但城墙高大，刘铤让人在坡下架起火炮，继续往二城里轰，陈璘、李舜臣也赶过来跟刘铤见了面。
“你们还是回到船上去，把出海口堵住，不要让他们逃了。”刘铤害怕陈璘抢功，对陈璘、李舜臣二人说道。
听完刘铤的话，陈璘怒气冲冲的离开了。
十月二日，联军对二城的攻击开始，明军将三架云梯推到二城对面，明军从云梯后面爬上云梯开始在云梯上向城内射击，二城下面的士兵也用弓箭向城上射击，在众人的掩护下，众兵开始搭梯子攻城，上次战争中投降刘铤的一千三百名日军被刘铤编为倭兵营也参加了攻城。小西行长调集重兵防护，冲上来的明军、朝军不断被砍死，刘铤、李应轼、吴广在那里亲自指挥，刘铤让人将三座云梯推上前去，有的明军从云梯上直接往城头上跳，刘铤在那里死命吆喝，城上一日军用铁炮偷偷瞄准刘铤，一炮打来，刘铤的钢盔被打飞，头上蹭破一块皮，众军士立刻把刘铤拉了下去。面对联军频繁的攻城，小西行长命人将二城门打开，几千日军冲了出来，双方在城下展开拼杀，刘铤急令城外兵马进城支援，二城内的日军尽数出动，联军和日军在一城和二城之间展开大血战，刘铤拿起大刀冲了进去，跟日军血拼。
监军王士琦在城外观察着战局，见明军并未占优势，遂鸣金收兵。
刘铤带着众人退出一城，日军随即又占领了一城。
刘铤沮丧的回来了。
“两万人想拿下顺天倭城实属难事，城内本来就有倭寇一万多人，而且我军是攻城战，倭城里外三层，虽攻一座城池，实是攻三座城池，总兵觉得现实吗？即使能拿下来，那部队也会打光。”王士琦对刘铤说。
十月五日，麻贵、董一元撤退的消息相继传来，王士琦对刘铤说：“他们都在自保，你也没必要打下去了，即使把顺天拿下来，他们两人脸上无光，一定会忌恨你，倭寇粮草已经断了，坚持不了多久，现在要做的就是让陈璘、李舜臣的水兵封锁住海路，防止倭寇逃跑。”
刘铤无奈的低下了头。
顺天一役，明军战死二千，朝军战死数百人，日军战死五千。
十月六日，刘铤大军撤回南原。三路大军无功而返，邢玠大怒，十月底邢玠和柳成龙来到晋州督军，麻贵、刘铤、董一元、陈璘前来晋州进见。
邢玠见到他们几个开始训斥：“你们三个有什么用？废物，都是废物，连杨镐都不如，你们想想，整个剿倭战争，前后七年，就只拿下平壤一座城池，除了平壤城有哪座城池是我们打下来的？这次水陆大军齐进，朝廷发足了粮草、弹药，三座倭城没拿下一座，你们不要脸，我还要脸。”
“够了，你是站着说话不腰疼，前方将士战死无数，大家都在流血，没有人退缩，倭寇现在补给已断，坚持不了多久，且倭城高大，内部都有数层，如果硬攻，必然伤亡很大，完全没有必要作无谓牺牲。”刘铤驳斥道。
说完后，刘铤还是骂骂咧咧，邢玠被刘铤这么一骂，也就不吭声了。
“此次进攻三地倭寇据点，泗川实际上已快拿下了，只是出了意外，而岛山、顺天两地实是难攻，如果强攻，我军损失必然很大，我看还是封锁外海，困死敌军。另外，泗川失利也暴露了我军应对突发事件能力不足。”董一元说道。
“你怎么看？”邢玠向陈璘问道。
“顺天、泗川两地可以封锁，但釜山不行，战舰数量毕竟有限，且釜山远离我军基地，难以补给，如果分兵釜山，那么顺天、泗川两地的海路封锁也成问题。”陈璘说。
“你们说倭寇下一步有何打算？”邢玠问。
“我看他们有撤回国的倾向，岛山的倭寇曾有小股移往釜山。”麻贵说。
“你们要严密监视，切不可让倭寇撤回国内，这是歼杀他们的最后机会。曹公公那里不是有锦衣卫吗？让他们去，去搞清楚倭寇的动向。”邢玠说。
顺天城内，小西行长急的像热锅上的蚂蚁，坐立不安。
“将军在想什么？”沈惟敬问。
“现在外海已被封锁，我军无法回国，难道要在这里等死。”小西行长说。
“将军若想回国，必须把明军和朝军的水军吸引走。”沈惟敬说。
“如何吸引？”小西行长问。
“派人向岛津求援，让他派战舰过来接应，这样联军的水军必然会被吸引过去，到时候将军趁机乘船离开。”沈惟敬说。
“这倒是个好办法，只是这个办法有些太阴损。”小西行长说。
“这你就错了，听人说，泗川到外海的通道也被封锁，岛津义弘即使不来救你，他若想回国，也必须冲破封锁线，所以双方必定有一场海战，现在水军留下的战舰都在他那里，所以他有责任掩护大家撤退。”沈惟敬说。
