이 해전에서 이순신이 지휘한 수군이 왜선을 크게 무찔렀다. 전라좌수사(全羅左水使) 이순신은 거북선을 포함한 전선 23척을 이끌고 5월 29일 본영(여수)을 출발, 노량 앞바다에 이르러 전선 3척을 이끌고 온 원균(元均)과 합세하였다. 그리고 곤양쪽에서 사천으로 향하는 왜선 1척을 발견하고 뒤쫓아 격파하였다.
그 때 사천선창에는 왜선 12척이 험준한 산세를 이용하여 열박(列泊 : 줄을 지어서 정박함)하고 있었다. 이순신은 때마침 조수가 나가 전선의 활동이 좋지 못함을 판단하고 유인작전(誘引作戰)을 세워 퇴각할 기세를 보이게 하자, 적들은 외양으로 나오기 시작하였다.
그 뒤 이순신은 조수가 밀려드는 것을 계기로 거북선을 선두에 세워 적함대 가운데로 먼저 돌진하게 하자, 뒤따른 전선들도 일제히 철환(鐵丸)과 장편전(長片箭) 등을 쏘아 왜선 10척을 쳐부수고 다음날 나머지 2척도 쳐부수었다.
전투 중 거북선건조에 공이 많았던 나대용(羅大用)과 이설(李渫) 등이 화살을 맞아 부상당하였으며 이순신도 왼편 어깨에 철환을 맞았다. 이 전투는 거북선이 처음으로 실전에 참가한 해전이다.