對周不加防範而專意於征伐東夷。對東夷之戰不僅使商王朝實力大為消耗，而且使西線為之空虛，同時激化了國內矛盾和統治者之間的鬥爭，使周取得了滅商的有利戰機。
武王為實施最後進攻，先試探諸侯的態度，利用文王在諸侯中的威信，曾載文王的靈牌在孟津（今河南孟縣西南）聯合各諸侯東向觀兵，從者八百諸侯。這次會盟既是一次軍事演習，同時也是對武王盟主地位的大檢閱，會盟的成功無疑在政治上確立了武王的盟主地位，使武王有能力組織強大的軍事力量滅商。
武王雖得到各諸侯的擁護，但仍感時機不夠成熟，會盟後即退兵，又經兩年的準備，武王信心倍增。而此時商統治集團內部分崩離析，想挽回商王朝命運的貴族盡遭陷害：王子比幹被殺，箕子被囚，微子逃走，少師、太師奔周，商紂王完全陷於孤立。
武王抓住這一有利時機，“率戎車三百乘，虎賁三千人，甲士四萬五千人”（《史記·周本紀》）東進伐商，並遍告諸侯於盟津會師，準備對商展開決戰。
周軍從宗周出發，沿渭河和黃河南岸行抵盟津渡河，大會諸侯，組成聯軍。
當時聯軍中除國姓諸侯和歸附於周的其他諸侯外，還有西方和南方的庸、蜀、髳、微、盧、彭、濮等方國部落的軍隊。
武王向聯軍發布誓師令（《泰誓》），曆數紂王的種種罪行，宣布伐商是執行上天的旨意，激勵全軍將士同仇敵愾，勇往直前。
戰前動員後，聯軍以“朝食於戚，暮宿於百泉”（《荀子·懦效篇》）的急行軍迅速挺進商都朝歌西南的牧野（今河南汲縣北），並進入臨戰狀態。
公元前1027年周曆二月甲子日清晨，在發起總攻前武王再次舉行誓師大會，武王在誓詞（即《牧誓》）中揭露商紂王逆天叛道，拋棄祖宗，離棄兄弟，重用奸人，為非作歹，使生靈塗炭，因此必須奉行天命伐而滅之。同時宣布作戰紀律，教以戰法，勉勵士卒勇敢殺敵。
麵對聯軍的進攻，紂王毫無準備。
時商軍主力仍在東線與東夷作戰，為抵抗聯軍，不得不臨時武裝大批奴隸，倉促應戰。
《史記·周本紀》記牧野之戰戰況雲：“帝紂聞武王來，亦發兵七十萬人踐武王，武王使師尚父與百夫致師，以大卒馳帝紂師。紂師雖眾，皆無戰之心，心欲武王亟入。紂師皆倒兵以戰，以開武王。武王馳之，紂兵皆崩畔紂。紂走，反入登於鹿台之上，蒙衣其殊玉，自燔於火死。”
文中七十萬人，其數不確，《尚書·武成》孔穎達疏雲：“紂兵雖則眾多，不得有七十萬人，是史官美其能破強敵，虛言之耳。”
又清人梁玉繩《史記誌疑》卷三雲“案：三代用兵無近百萬者，況紂正發畿內之兵，安能如此其多。”由此可知紂軍並非確有70萬人，但其數量多於聯軍則有可能，但從文中商軍“皆無戰之心，心欲武王亟入”紛紛倒戈叛紂來看，商紂王為數眾多的軍隊當不是國家軍隊的主體，而是由奴隸臨時拚湊而成，唯充數以虛張聲勢而已。
從戰鬥經過來看，兩軍並未有激烈的交鋒，武王采用了聲東擊西的策略，派師尚父帶領少數勇猛之士向紂軍挑戰，轉移敵軍注意力並挫傷其銳氣，而後親率主力向敵軍發動猛烈攻擊，紂軍遭此突擊，不戰自潰，奴隸大軍紛紛倒戈，紂軍頃刻土崩瓦解，紂王自知大勢已去，逃回鹿台，自焚而死。周軍乘勝占領朝歌，商王朝遂告滅亡。
牧野之戰是我國古代以少勝多的著名戰例，這場戰爭從準備到進行，周王始終把政治攻勢與軍事攻勢放在同等重要的地位，充分發揮政治攻勢的效力，瓦解孤立敵人，團結一切可以團結的力量，壯大自己。這一措施在戰爭中顯示了強大的威力。