戚繼光深感敵我兵力懸殊太大，就和譚綸相商，先穩住敵人，等待援軍到達，再發起進攻。得到譚綸的支持後，戚繼光命令新任守備胡守仁和把總蔣伯清領兵駐紮縣城附近的鐵山，據險為壘，和倭寇相持，以牽製敵人的兵力。另外，從各營挑選500名勇士，組成敢死隊，悄悄地接近倭巢，相機突襲；戚繼光在大本營不時地發炮，頻繁地調動軍隊，以迷惑倭寇，作為緩兵之計。
倭寇偵悉戚家軍要解仙遊之圍，自恃兵重勢強，拚命攻城。戚繼光擔心城中守軍兵力不足，恐懼心理增長，特派自己的親兵乘夜入城，協助防守，並且將自己的大本營移到離倭巢更近的石馬，四麵布置疑兵，既遏製倭寇四出剽劫，又阻倭專意攻城，鼓舞了城中守軍士氣。城中百姓，在戚繼光英雄行為的感召下，踴躍登城，協助守軍，打擊倭寇。
倭寇發現明軍不敢出戰，老是鼓噪呐喊，斷定戚家軍勢單力薄，便加緊了攻城準備。十二月初六日，倭寇發起了大規模的進攻。他們簇擁著木梯湧向城下。城上軍民不畏強敵，奮勇反擊。攻擊西門的倭寇，砍倒木柵，衝破土城，蜂擁攀垣。守城勇士陳二、林誌寬眼疾手快，揮舞戰刀，連劈帶砍，倭寇嚇得往後退。可是，陳二、林誌寬卻不幸被倭寇冷箭射中，壯烈犧牲。倭寇乘勢再次登城，勇士劉居芳、丘世修和吳育，為守住陣地，與敵浴血搏戰，倭寇招架不住，紛紛沿木梯往下退。遊兵李以仁拿著點燃的木柴衝到城下，焚燒倭寇的木梯，敵陣混亂，狼狽撤退。攻掠城北門、城南門的倭寇，也都遭到守軍的英勇抗擊，紛紛撤逃。戚繼光在石馬乘機放銃助戰，倭寇以為大兵已到，嚇得逃入倭巢。
十二月二十三日，戚繼光盼望已久的6000名援軍終於到來了。雖然在數量上，明軍仍然處於劣勢，但是，這是戚家軍從浙江調來換防的部隊，經過休整，士氣高昂，求戰情緒激奮。戚繼光認為全麵反攻，徹底殲滅倭寇，解除仙遊之圍時機已到。立即召集將領商討作戰方略，研究兵力部署，命令守備王如龍位居中左路、守備胡守仁位居中右路，兩軍合力搗毀南門倭巢；把總陳濠位居右路，攻取東門倭巢；遊擊李超位居左路，攻取西門倭巢；把總金科率大營正兵，擔任預備隊，隨時策應各門；指揮呂崇舟、副總兵金文秀率兵至鐵山，以牽製北門倭巢。根據當時的敵情和地形，決定首先進攻南巢，得手後再攻東、西兩巢，最後圍殲北巢。
部署完畢，戚繼光下令明日開始行動。二十五日，各部按預定計劃到達指定地域。這天夜裏大雨不停，路上行人斷絕。次日拂曉，大霧彌漫，各部秘密向南巢推進。
狡詐的倭寇先行一步，乘濃霧天氣從南門發起攻城。這次倭寇接受以往攻城失利的教訓，創造了一種登城器具“呂公車”。這種車高於城牆，四周都粘上竹木棉氈，既防炮火，又不怕弓箭，使用時推至城下，從車頂上接木板至城牆，倭寇即可渡橋登城。正當倭寇拚命登城時，明軍王如龍從左側發起進攻南巢的戰鬥。倭寇見老巢被搗，隻好暫停攻城，布開陣勢，垂死掙紮。胡守仁從右側進攻南巢，倭寇緊縮兵力，憑巢反抗。明軍奮勇衝殺，摧圍拔柵而入，焚燒敵巢，殘倭分別逃向東西兩巢。胡守仁乘勝向東追擊，與右路陳濠部夾擊東巢，王如龍向西追擊，與左路李超部合兵夾攻西巢，各路將士英勇突擊，迅速燒毀兩巢。其餘倭寇數千人拚命逃向北巢，做垂死掙紮。