周軍攻來的消息傳至朝歌，商朝統治者和大臣們一片恐慌。平日裏隻會搜刮百姓、吃喝玩樂的商紂王這時才停止了歌舞表演，撤掉了酒席，倉促研究對策。此時商軍主力還遠在東夷，遠水救不了近火。無奈之下，商紂王隻好臨時讓大批奴隸和俘虜武裝起來，連同守衛首都的禁衛軍，共17萬大軍，由他親自率領，開赴牧野前線迎戰周軍。
周武王決定於2月5日發動進攻。這天淩晨時分，數萬名周軍官兵和同盟軍隊的士兵舉著火把，在牧野郊外的一片空地上莊嚴列隊，舉行誓師大會。周武王憤怒地列舉了紂王的諸多罪行：他聽信寵姬讒言，不祭祀祖宗，招誘四方的罪人和逃亡的奴隸，暴虐地殘害百姓。周武王的言辭激發起周軍官兵們的高昂鬥誌，他們發誓要替天行道、英勇作戰。接著，武王又鄭重宣布了作戰中的行動要求和軍事紀律：軍隊排成整齊的隊形列隊衝鋒；每前進六七步，士兵們就要停下來重新排列整齊，以保持隊形；每當擊刺敵人5次以後，也要停下來重整隊形，以穩住陣腳。他還特別命令嚴禁殺害投降的商軍士兵。
誓師完畢以後，士氣高昂的周軍開赴戰場。遠處的地平線上，商朝大軍已經赫然在望。商紂王把由奴隸和戰俘編成的隊伍布置在前麵，讓他們先與武王的軍隊交戰，自己的禁衛軍則布置在這些奴隸和俘虜的後麵，監督他們作戰。兩軍陣勢都已經拉開，相互對峙著。周武王首先發動了攻勢。他命令薑尚率領3000人的精銳部隊首先向商軍挑戰，一方麵牽製迷惑敵人，一方麵打亂其陣腳。薑尚立刻領命，帶領部隊向商軍發動了衝鋒，希望能為後續的大部隊打開一個通道，直衝商紂王的大本營。但是，實際情況遠比薑尚想像的要容易。商朝大軍中的主力是那些臨時武裝起來的奴隸和戰俘，平日裏，他們受盡了商朝奴隸主的欺壓，現在被迫當兵送死，更是無比憤怒，誰還肯替奴隸主們賣命？兩軍剛一接觸，這些奴隸和戰俘便紛紛臨陣倒戈，掉轉矛頭，爭先恐後為周軍開道引路，助他們直取紂王的大本營。武王發現形勢對自己有利，立刻下令向商軍發起總攻。周軍以戰車部隊作為中堅力量，步兵環繞在其周圍，猛烈地衝殺敵軍。雖然忠於商紂王的禁衛軍拚死抵抗，但是仍然未能擋住周軍的猛攻。戰鬥持續到第二天早上，商軍全線崩潰。紂王見大勢已去，隻好倉皇逃回朝歌，當天晚上就在華麗的鹿台宮殿裏自焚而死。
周軍乘勝追擊，攻占朝歌，延續了近600年的商王朝就此滅亡。
牧野之戰後，在商朝的廢墟之上，一個新的奴隸製國家——周朝誕生了。中國古代的奴隸製社會由此發展到了頂峰。