要想进攻平海卫，就必须先拿下驻扎在许厝的倭寇。二十一日凌晨，戚继光命令前锋戚继美率部进攻许厝，戚继美见许厝倭寇营垒结实、防守严密，便指挥“三飞箭”部在营寨前列阵，准备火烧倭寨。
神田纠夫在牛田已经见识过“三飞箭”的厉害，早在营寨内做好准备，此时一见戚家军“三飞箭”亮相，便打开寨门，以二百名骑兵为前队，自己率领二千倭寇为后队，向明军发起冲锋，妄图一举消灭“三飞箭”部。
眼看倭寇骑兵就要冲到阵前，戚家军处变不惊，戚继美早已经安排火铳营在后面支援。“三飞箭”部立即后撤，露出了后面一排排的火铳。戚家军以三段击战术射击，数十名倭寇骑兵中弹落马，其余倭寇的坐骑被火铳所惊，纷纷失控，掉头就跑，反将倭寇后队冲得七零八落。
戚家军趁机掩杀，倭寇惨败，神田纠夫见势不妙，赶紧退回许厝顽守。戚继美再以“三飞箭”向倭寨攻击，数轮齐射后，把倭巢化为一片火海，倭寇如被热锅上的蚂蚁一般，抱头鼠窜，四散奔逃，神田纠夫知道事不可为，赶快带着残兵逃向平海卫。
戚家军顺利拿下许厝，打开了进攻平海卫的通道。戚继光命令戚继美搜剿残敌，自己率戚家军主力与俞大猷、刘显三路明军将平海卫三面包围。
三路明军密切配合，集中优势兵力，采取正面突击，两翼包抄的战略，对平海卫发起猛攻。但松浦惟在平海卫准备非常充足，防守密不透风，明军无隙可乘，连着进攻了一天一夜，也没有拿下平海卫。
眼看战局朝着自己最不愿意看到的持久战方向发展，戚继光决定拿出自己的杀手锏。在浙江休整期间，他开始在戚家军成建制装备多种火器，除“三飞箭”这种便携式火箭发射器外，还有重火器虎蹲炮和佛朗机炮：
虎蹲炮是一种轻型前装野战炮（类似于迫击炮），通常发射霰弹，因其外形像猛虎蹲坐的样子，由此得名。戚继光在实战中发现佛朗机太过笨重，不利于野战，于是便研发了更加轻便的虎蹲炮，易于携带，虽然射程有限，但是杀伤力极大。
佛郎机炮是一种铁制后装滑膛加农炮，戚家军的佛郎机炮主要是仿制为主，按照实战需求进行了一定程度的改良，既可以发射霰弹，也可以发射实心弹，具有射速快、散热快、杀伤力大又不易炸膛等优点。
戚继光大量制造这些火器，并在军中广为配备，极大地增强了戚家军打击和摧毁敌方的能力，但还没有经过实战检验。现在为了减少部队伤亡，戚继光决定在这里使用这些火器。于是平海卫成了戚家军火器威力的试验场，“三飞箭”虎尊炮和佛朗机炮轮番上场。
先由戚继美部进行火箭齐射，只见漫天火箭铺天盖地呼啸而去，火借风势在城内漫延，平海卫内到处火焰升腾，倭寇纷纷奔走呼号，狼狈逃窜，彻底打乱的倭寇的防御部署。
再由胡守仁部用虎蹲炮攻击，数十门火炮一时齐发，声如天动，火光烛天，很多倭寇被炮火击中殒命，其余倭寇到处寻找地方躲避，已经溃不成军。
最后是吴惟中部从后方运过来五门巨大的佛郎机炮，这些巨炮一起发射时，整个平海卫如山崩地裂，大地震荡，倭寇搭建的石墙纷纷坍塌，无数倭寇被砖石所埋。
平海卫中的倭寇哪里见过这样的阵势，纷纷怪叫着四处逃窜。松浦惟看着几成废墟的平海卫，呆若木鸡，还是神田纠夫等人拉着他逃向东门海边，准备乘船逃遁。
谭纶、俞大猷和刘显也被这些火器的巨大威力所震惊、在戚继光的提醒下，才赶紧组织部队乘胜追击。此时倭寇已如丧家之犬，纷纷逃向海边，想要乘船逃跑，但明军紧紧追击，绝大部分倭寇来不及上船，像赶鸭子似地被明军赶下大海。松浦惟见势不妙，也不再管岸上倭寇的死活，赶紧开船向海上逃窜。
戚继光运筹帷幄，料到倭寇会从海上逃遁，早已命令水师做好海战准备。福建水师负责封锁兴化湾、平海湾、湄州湾，防止倭寇遁逃，台州水师迫近平海卫，随时准备迎击倭寇舰队。此时台州水师已经扩充到三十六艘大型福船，小型战船更是无数，舰船火力装备也非常强大。一时间整个平海卫海面上船樯如林，明军在海上布下了天罗地网。
松浦惟的舰队刚出平海卫，就遇到了台州水师，任锦信心满满，指挥水师用“五梅花阵”将倭寇舰队包围分割、各个击破，台州水师奋勇杀敌，倭寇舰船纷纷被击沉，最后只剩松浦惟的旗舰被明军水师团团包围，任锦想要活捉松浦惟，与倭寇旗舰进行了激烈的接舷战。
甲板上倭寇进行了最后的抵抗，在心腹的掩护下，松浦惟退入船舱。看着身边仅剩数名残兵败将，听着甲板上明军喊杀声惊天动地，想到自己当初率数万之众，在福建为所欲为何等风光，他不由得万念俱灰，在绝望中刨腹自杀。这个双手沾满大明百姓鲜血的强盗头子，终于结束了罪恶的一生。
后来戚继光把松浦惟的尸体挂在兴华城西门，暴尸三日，以此祭奠在兴化倭患中丧生的三万无辜百姓。
平海卫战役共持续一天半的时间，共歼敌六千余人，生俘一千多人，溺死烧死者无数，缴获船只五十多艘，武器无数。
平海卫大捷极大地鼓舞了福建人民抗击倭寇的斗志和士气。当大捷的消息传回京城时，朝野上下为之振奋，嘉靖龙颜大悦，专程到太庙祭祀，告慰列祖列宗。
战后谭纶向朝廷报功，戚继光功居榜首，刘显、俞大猷次之。谭纶在奏章中给戚继光的评价是“鞠躬尽瘁，用兵如神，岂止当今之虎臣，实为振古之名将”。以戚继光的功绩，这样的言语其实一点都不过分。为表其功，朝廷升任戚继光为都督同知（从一品），并任福建总兵，统管浙江、福建剿倭军事，这一年戚继光年仅三十六岁。
但嘉靖对俞大猷和刘显的奖励就显得不那么厚道了。虽然认为二人虽然也有战功，但却坐视倭寇盘踞兴化而不敢进攻，很多御史言官弹劾他们畏贼失机，所以最后只赏了俞大猷四十两白银，并改任广东总兵，刘显改任狼山总兵。
戚继光也替二人感到不平，但是俞大猷反而安慰戚继光说：“我等为将者平灭倭寇乃职责所在，难道是为了朝廷的奖赏和百姓的称赞吗，况且你我肝胆相照，你的荣耀就是我的荣耀！元敬不必挂怀。”俞大猷宽广的胸襟也令戚继光心折。
平海卫之战，戚家军使用了当时在世界上也堪称先进的火器，如佛郎机炮、虎尊炮等，而且还大规模装备了火铳，这标志着戚家军在军事装备上，已逐渐完成从冷兵器向冷、热兵器并重的转换，也体现了戚继光与时俱进的军事思想。
我们常把装备精良作为特种部队一个显著特征，而戚家军无疑完全符合。在当时那个年代，能组建一支武装到牙齿的近代化、标准化的军队，可想而知戚继光付出了多少的努力和代价。
