在明军炮火的攻击下，登州城内的叛军坚持到了崇祯六年，此时，登州城里的物资开始出现紧缺了是的，尽管福海号每个月都会安排三条船来登州交易，但对于登州城内的叛军来说，福海号送来的这点粮食实际是杯水车薪的而更致命的是，经过数月的准备，明军舟船部队也已经准备完毕，开始封锁登州外海了，这就让福海号不得不终止了与叛军的贸易，让叛军彻底陷入外援断绝的境地于是乎，当年二月十三日，眼见得大势已去的孔有德便带着妻儿及部分亲兵率先乘船北遁。
见孔有德率先逃跑了，耿仲明、毛承禄等叛军将领也在二月十六日，分别乘坐单船，带着家属和亲近部下，借着夜色突破明军水师封锁，向东江镇故地逃亡。
剩下的登州叛军眼见得局势已经崩坏到无以复加的地方，所以只能弃守登州城，而把剩余兵力撤退到登州城北面的登州水城做最后的顽抗并不是他们不想跑，而是没有那么多船让他们跑，所以彻底陷入歇斯底里状态的叛军残余便抱着到时候玉石俱焚的态度，准备坚守到最后一刻。
见到叛军自动放弃登州城，明军便大举入城，进而与叛军开始争夺登州水城。
二月二十七日，时任朱大典身边中军的刘良佐突生奇策，便一面命令正面攻击水城的明军不断发炮轰击水城，尽可能的杀伤叛军，损毁水城防御工事，一面又借助炮击带来的震动生，指挥部下挖掘地道，准备实施针对水城城墙的爆破。
此后，经过一夜的挖掘，在二月十八日黎明前，明军顺利的把地道挖掘到了水城墙根处，并在墙根底部挖出了一个深约一丈、宽两丈的大洞随即，刘良佐派兵在这个大洞里填埋了1500斤火药最后，明军点燃引线，引爆了这些火药。
黑火药的威力本身就有限，且明军的黑火药纯度和配比都有问题，爆破效果其实不怎么好，但问题是，刘良佐部塞的火药够多，因此最终还是将登州水城西南角砸开了一面宽约五丈的缺口，并且被炸毁的城墙完美的形成了一个可以从地面直通城头的陡坡，明军官兵见状便一拥而上，准备一举夺取水城城墙。
叛军深知一旦明军攻上城头，便是自己的死期，因此拼死抵抗，并大量丢掷火罐等燃烧物，阻止明军突破，攻城的明军冲上去，又被赶下来，死伤累累。
眼见得明军的士气即将“一鼓盛、二鼓衰、三鼓竭”了，山东巡抚朱大典和监军太监杨作楫等人亲临战场督战，刘良佐更是领头冲杀，并且中箭不退，明军各部见状，大受鼓舞，几部将领也随即领队冲锋，给叛军施加了连续不断的冲击。
战斗到十八日辰时，山东援剿总兵邓玘率领亲兵第一个在城墙上站稳脚跟，并牢牢的控制了自己脚下所站的城墙段，掩护其余明军得以顺利登城。
中午时分，叛军终于抵挡不住越来越多登上城墙的明军，便只能丢下无数的尸体，从城头退入了水城之中，只是这些叛军还在最后的负隅顽抗，但这种顽抗根本坚持不了多久，最终，于当天晚些时候，就不得不投降了。
是役，明军斩杀俘获包括孔有德岳父陈奇胜在内的叛军将官40余人，斩杀和逼杀部分叛军在最后关头跳海自杀叛军五千，另外俘获叛军及辽民千人、缴获大小火炮300余门，其余军械旗鼓无算，彻底收复了山东全境