杨元到达南原城后便加强了城池的防御，挖掘一二丈深的护城河，并在城门安放了三门大炮。8月12日，日军到达南原城下。南原城建于平原之上，日军以宇喜多秀家、藤堂高虎、太田一吉攻南门，小西行长、宗义智、脇坂安治、竹中重利攻西门，加藤嘉明、岛津义弘攻北门，蜂须贺家政、毛利吉成、生驹一正攻东门。日军使用火绳枪攻击城上的守军，明、朝联军也用大炮和箭矢还击。不过由于守军装备落后，处于劣势。守城战更使明军骑兵无法发挥优势。随着时间的推移，南原城守军不断阵亡，士气逐渐低落。杨元向全州守将陈愚衷求救，但陈愚衷却按兵不动。