南下的四路明军中，担任东路大将的提督麻贵统领明军24000人、朝鲜军5514人，合计29514人（《宣祖昭敬大王实录》），其战略目标仍是夺取加藤清正所在的蔚山倭城。九月，东路明军对加藤清正发动了第二次攻击，这便是“第二次蔚山战役”。
史料上对第二次蔚山战役的过程记载并不多，而且充满了一些相互矛盾的说法。例如，诸史料对第二次蔚山战役之前麻贵的进兵路线就存在着分歧。具体来说，是对麻贵发起第二次蔚山战役前，是否驻扎（或进兵）温井、东莱存在分歧。温井、东莱这两个庆尚道沿海城市，位于蔚山倭城西南方向，距其较远，但非常贴近侵朝日军的大本营釜山浦，可以说是釜山浦的屏障。
明人诸葛元声的《两朝平攘录》记载，麻贵在第二次蔚山战役之前，“率所部颇贵、牛伯英等驻扎温井，与蔚、岛清正相对”。但是，上文已经说过，温井、东莱距离蔚山倭城有一定距离，反倒是距离釜山浦比较近。所以如果麻贵亲自驻扎温井，要与日军对垒，也应该是与釜山浦的毛利吉成对垒，而不是与远在蔚山倭城的加藤清正对垒。
对于第二次蔚山战役之前明军是否驻扎温井一事，朝鲜史料《乱中杂录》有这样的记载：“本月十九日，麻提督掩击东莱城内、温井等处之贼。”与《两朝平攘录》稍有不同，《乱中杂录》说麻贵在九月十九日亲自带兵袭击东莱、温井的日军，而不是驻扎温井。不过《两朝平攘录》《乱中杂录》有一点是相同的，都提到麻贵在驻扎（或进兵）温井以后，从温井出发，发兵直捣蔚山。《两朝平攘录》没说麻贵出发的具体日期，《乱中杂录》则明确说是九月二十日。
然而在朝鲜史料《象村稿》中，麻贵根本没有驻扎（或进兵）温井、东莱。此书记载，麻贵本来计划于九月十九日进兵温井，但是顾虑到会误伤朝鲜百姓，所以延迟了进兵日期。直到九月二十一日，麻贵才派朝鲜将官金应瑞攻打温井、东莱，斩首日军数十级，他自己则没有亲自前往温井、东莱。
《象村稿》还说，九月二十一日，麻贵从庆州南下，发兵蔚山。庆州在蔚山的西北方向，从地理位置上推断其行军路线，麻贵不可能如《乱中杂录》所说，九月十九日袭击蔚山西南方向的东莱、温井以后，又在九月二十一日大老远跑到蔚山西北方向的庆州，再从这里发兵蔚山。这在路线安排上是十分不合理的，相当于绕了一个大圈。因此，麻贵不太可能在第二次蔚山战役前驻扎（或进兵）温井、东莱，他应该是直接从庆州南下发兵蔚山的，这与第一次攻打蔚山时的进兵路线相同。
但明军九月在温井、东莱与日军接战，在其他史料中确实也有记载。据朝鲜官方史料《宣祖昭敬大王实录》记载，九月二十二日，明军和温井的日军接战，斩得30颗首级，救出1000名被掳掠的朝鲜人：“温井之倭，则天兵焚荡，斩三十余级，被掳人一千余名招谕出来。”经略邢玠的《经略御倭奏议》也提到，明军九月二十三日在温井、东莱擒获一名日本人：“东路于二十六年九月二十三日在温井、东莱擒获一名界磨。”根据《象村稿》《宣祖昭敬大王实录》《经略御倭奏议》的记载来看，明军、朝鲜联军在九月二十一日、二十二日、二十三日都有进攻温井、东莱，而当时第二次蔚山战役已经打响了。
合理的推测是，麻贵的东路军分兵为二，他自己率领本队人马从庆州发兵东南方向的蔚山，别动队则发向温井、东莱。麻贵本人并没有在九月十九日带军袭击温井、东莱，也没有率领颇贵、牛伯英驻扎在温井。这一推测可在史料中找到佐证。《经略御倭奏议》记载：“麻贵将兵分投埋伏，计阻清正，不令西援。”可见麻贵的东路军当时确实有分兵之举。从《海东地图》等朝鲜古代地图分析，《两朝平攘录》《乱中杂录》对麻贵从温井移兵蔚山的记载应该有误，当时实际的进兵情况应是麻贵率领本军从庆州南下，发兵蔚山，同时派遣明军别军和朝鲜将官金应瑞攻打温井、东莱。
理清麻贵的进兵路线后，再来分析第二次蔚山战役的过程。关于此战的经过，《明史·朝鲜传》中有一个流传较广的说法，称麻贵误入日军埋伏，以致战败：“麻贵至蔚山，颇有斩获，倭伪退诱之。贵入空垒，伏兵起，遂败。”
但在《清正高丽阵觉书》等以加藤清正为主角的日本史料中，却找不到加藤清正设伏击败麻贵的记载。如果加藤清正真的以这样的战术击败了东路大将麻贵，这些史料绝不可能不吹嘘一番，但是却偏偏没有。于是有些日本史料以《明史·朝鲜传》为蓝本，将设伏麻贵之人改成了立花宗茂。
例如《日本史记·立花宗茂传》记载，立花宗茂在第二次蔚山战役期间率领1000余人出兵救援加藤清正，以设伏战术击败明军，斩首400级，之后又与加藤清正夹击明军，大破麻贵：
九月，明兵大举围三屯，（小早川）秀秋闻之，议赴援，众皆默然。宗茂独奋曰：“蔚山围解，则新寨、顺天自解，吾请往。”乃率兵千人赴援，乘晓雾遇明军于元溃，破之。追北急，小野镇幸止之曰：“虏恐有后军。”宗茂曰：“虏马足乱，可追也。不追，虏知我寡军。”追击，又破之。既舍，故逸囚。众怪之，宗茂曰：“是示寡，诱敌也。”设伏以待。夜半，敌果来袭，伏起，复破之，斩首四百级。明日，至金澄，距蔚山十里。麻贵解围而退，宗茂与清正夹击，又破之。
不过，《日本史记·立花宗茂传》说立花宗茂设伏的地点是在“元溃”与“金澄”之间的某个地方，打败的也不是麻贵本队。在该书的记述中，立花宗茂设伏打败一股明军以后，于次日抵达蔚山，然后与加藤清正夹击麻贵本队，将其打败。
此外，另一日本史料《续日本史·立花宗茂传》提到，立花宗茂出兵救援加藤清正的具体日期是在九月五日，说他仅仅率领500人，便设伏击败了明军：
明将麻贵攻加藤清正于蔚山。九月五日，宗茂闻急，以兵五百救清正。至元溃，遇虏五千人，乘晓雾逼击，败之。乘胜追蹑，或止之曰：“彼众我寡，勿追。”宗茂曰：“否。不追，知于我寡也。”遂前，又败之。既舍，命纵囚者。皆曰：“彼语我寡，虏必反击。”宗茂曰：“此予所欲也。”夜设五伏，以待焉。三更，虏果至，又败之。翌日，师行近蔚山，清正出，夹击虏军，虏大崩而走。
《续日本史·立花宗茂传》特别提到，立花宗茂与明军交战的具体时间是在九月五日、九月六日。但依据朝鲜史料《象村稿》的记载，直到九月十一日，麻贵的先锋解生、杨登山才抵达蔚山，麻贵亲自统领的本队人马更是直到九月二十一日才从庆州出发。因此，立花宗茂根本不可能在九月五日、六日期间出兵与明军交战，因为明军根本不在事发地。
在早期的立花家史料中，如《柳川立花家谱》《立斋旧闻记》，立花宗茂出兵救援加藤清正的时间是在同年五月，比第二次蔚山战役爆发的时间早了4个月。后来成书的《续日本史·立花宗茂传》依靠明朝史料，知道此战发生在九月，于是做了更正，但却又画蛇添足，说具体日期为九月五日、九月六日，结果反而露出了马脚，让人知道“立花宗茂设伏打败明军”这个说法，只不过是日本人根据明朝史料附会编造的。
除月份有问题外，《柳川立花家谱》还将明军主将弄错了，原文记载道：
（庆长三年）五月，（立花宗茂）破明兵于元溃，放所获虏，使敌知我兵寡。其夜，敌果来袭，设伏击走之。进兵阵金澄，向清正所据蔚山城。杨镐、梅伯闻宗茂至，解围去。宗茂入城，与清正相见，清正厚谢之。
在《柳川立花家谱》的记述中，第二次蔚山战役期间，明军的主将是杨镐、梅伯。但杨镐当时因被丁应泰弹劾，已经去职，回到了河南老家，并不在朝鲜。至于梅伯，可能是日本人对麻贵名字的汉文写法。但无论梅伯是不是麻贵，该书都明确提到明军主将在立花宗茂还没赶到的时候，就已经解围而去，并没有《续日本史·立花宗茂传》《日本史记·立花宗茂传》中提到的立花宗茂与加藤清正夹击麻贵的情节。可见在早期的立花家史料中，并不存在立花宗茂与麻贵交战的记录。
事实上，立花宗茂在整个丁酉再乱期间，与明军交战的只有后来爆发的露梁海战，其他时间都坐镇在大后方，根本没挪过窝。加上壬辰倭乱时与明军交锋的碧蹄馆之战，立花宗茂实际上在整个万历朝鲜战争中和明军正面交手的机会，只有两场会战。只有立花家自己的一些史料，拼命地给他虚构战绩，让他在这些虚假的故事中大放光彩。
加藤家的史料对“麻贵中伏兵败”之说全然没有记载，再排除掉立花家虚构的情节，我们可以认定，这一说法不过是以讹传讹罢了。考究史源，“麻贵中伏兵败”一说的较早出处，是方孔炤的《全边略记》：
麻贵至蔚山，望之空垒，及趋而至。忽然旗帜蔽空。贵策马而逃，丧兵士千。
但经略邢玠在《经略御倭奏议》中否定了“麻贵中伏兵败”的说法：
麻贵将兵分投埋伏，计阻清正，不令西援。清正夜出，伏兵冲突进营，砍杀倭兵数多。就阵获见解倭兵界磨及倭将化叱大里小如文，又烧焚岛山、后江、南集、粮寨房千余间，各贼赤身溺死者难以计算。
根据这一记载来看，设下伏兵的是麻贵，而不是加藤清正。麻贵通过设伏，击败了加藤清正，并取得了焚毁倭房千余间的战绩。不过，《经略御倭奏议》的这一记载，作为明军战报，也有夸大实情之嫌，并不能完全视作事实。在记录第二次蔚山战役的史料中，记载最为详细的是朝鲜史料《象村稿》。据此书记载，此战的经过是这样的。
九月十一日，麻贵派副总兵解生、参将杨登山领6000人直趋蔚山倭城，参将王国栋、游击颇贵埋伏于路旁。子夜，明军与日军交战，斩首17级。此后日军与第一次蔚山战役时的表现一样，退保蔚山倭城的心脏——岛山城。
九月二十一日，麻贵从庆州于朝驿出发，向岛山进军。他令解生、杨登山、王国栋、颇贵四将带领骑兵布阵于岛山城对面的山峰上，自己则布阵于蔚山的富平驿旧址，并挑选明军精骑挑衅日军出战。日军先是从岛山城内出来查探，又匆匆赶回去报信，之后大队人马从城内杀出来，与明军骑兵接战。千总麻云等将率领200骑兵从箭滩奔向岛山，日军没有料到这支骑兵会从侧面攻过来，一下子崩溃瓦解，仓皇逃窜，溺死了很多人。明军斩得1颗首级，并焚烧了日军的房屋、粮草。朝鲜将官金应瑞于同一天攻打岛山西南方向的温莱、东井，斩得日军首级数十颗。麻贵命令诸将修葺草房，长期屯驻在岛山城外。此后，明军每天派出骑兵挑战岛山日军，但日军就是坚守不出。明军一旦进逼岛山城下，日军就用铁炮射击明军，使明军难以近城。
九月二十六日，麻贵为了引诱日军出战，让明军假装撤兵，但日军依然不为所动。
九月二十九日，管拨军杨汝德向麻贵报告，称釜山日军数日内将会救援岛山城，麻贵开始筹划退兵。次日天亮以后，麻贵下令将粮饷、大炮运送到12公里外的地方，又挑选骑兵埋伏于兵营西谷。之后，明军退屯后方，麻贵派遣千余骑兵驰骋于白连岩下的日军船只停泊之处，但是岛山城内的日军仍然坚守不出。
十月六日，麻贵听到中路董一元失利的消息，非常忧虑，于是回兵庆州，留下解生、杨登山、王国栋、颇贵四将埋伏于毛火村。
十月七日，从日军俘虏处逃回的朝鲜人全以连前来报告，声称关白丰臣秀吉已经死亡，德川家康召加藤清正回日本，如今将要撤兵。麻贵得到消息后，于十月二十三日，从庆州退兵到后方的永川。
依照《象村稿》的相关记载，明军和日军在第二次蔚山战役中并没有大动干戈，大部分时间里双方都是相持不战，最后麻贵得到中路董一元失利的消息匆匆撤军，此战草草结束。
其他史料中也有一些细枝末节的叙述，可以进一步丰富此战的细节。《乱中杂录》记载，明军焚毁了岛山的外栅，但之后一直打不下内城。《宣庙中兴志》记载，明军除了焚烧岛山的外栅外，还尽烧房屋、粮草，于是日军退保岛山内城，明军对内城的进攻则毫无进展。《宣祖昭敬大王实录》记载，岛山日军在九月二十二日出城夜袭，杀死明军士兵5名、俘虏1名；同时明军别动队在温井、东莱纵火扫荡，斩首日军数十级，救出1000多名被俘虏的朝鲜人。
明军未能打下岛山内城的原因，朝鲜史料和日本史料都提到了一点，那就是岛山城经历了第一次蔚山战役以后，被日军修筑得更加坚固，于是日军依靠与上一次蔚山战役同样的战术，不断施放铁炮打击山下的明军，使明军难以近城。例如，《枫轩文书纂》记载：“城兵数百人丛炮乱射，敌军（明军）乃退，去城二三里，筑长围守之。”《乱中杂录》记载：“贼丸如雨，天兵被害不知其数。”《宣庙中兴志》记载：“贼入保内城，放丸如雨，天兵不能近。”《清正高丽阵觉书》也记载，岛山日军用弓和铁炮射杀明军，导致“唐人（明军）败北”。
攻坚不行，麻贵便“日出游兵挑战，或变阵而佯退”，想把加藤清正逼出来，但加藤清正就是躲着不出来。迟迟无所进展，麻贵最后只能撤兵了。
第二次蔚山战役的唯一亮点，是岛山日军在九月二十一日的城外会战中，被明军千总麻云的200骑兵冲溃。《宣庙中兴志》对此记载道：
（麻）贵至庆州，令解生等以六千人先发。解生直抵蔚山，败贼兵千余人于栅外。二十二日甲辰，贵领大军至岛山下，选精骑挑战。清正兵乍出乍入，已而大出合战。千总麻云以二百余骑，出其不意横冲之，贼大骇奔迸，溺水死者甚众。天兵乘胜，夺外栅，尽烧房屋。
但是无论如何，就第二次蔚山战役的结果而言，明军仍然没有取得成功，没能实现攻克岛山的战略目的。事实上，《宣祖昭敬大王实录》也说麻贵对拿下岛山并没有太大把握，“岛山贼势浩盛，提督似有难色”，“提督自内城退遁之后，颇有畏怯之意，方欲退阵庆州矣”。总而言之，第二次蔚山战役，明军还是失败了的。