周瑜的分析振奮了孫權，他用刀砍去奏案的一角，警告勸降的臣下說，誰再敢說降曹，下場和這個桌子一樣。接著，孫權任命周瑜、程普為左、右都督，分領大軍逆流西上，和劉備並力，迎擊曹軍。
在樊口（今湖北鄂城附近），周瑜所率的江東水師與劉備的軍隊會合。孫劉聯軍合計5萬人左右。
曹軍船艫相接，浩浩蕩蕩，順流而下。在赤壁（今湖北武昌縣西赤磯山），曹軍和孫劉聯軍相遇。周瑜的推測成為事實，疫疾已在曹軍中流行，生病的人很多，戰鬥力大受影響。結果兩軍交鋒，曹軍初戰失利。曹操將大軍退到江北的烏林（今湖北洪湖縣東北），上岸安營紮寨，與進逼而來的聯軍隔江對峙。
兩軍僵持的局麵對人孤力單的聯軍不利。周瑜的部將黃蓋建議說，敵眾我寡，不宜在這裏同敵人持久消耗。曹操針對北方軍士不習水戰的缺陷，采用方連戰艦、首尾相接的方式進行補救，這樣就為我們提供了可以用火攻打敗他的機會。周瑜采納了黃蓋的建議。
黃蓋按照與周瑜製訂的計策，寫信給曹操表示願意歸降。曹操沒有識破這是詐降計，答應接受黃蓋。黃蓋預先在幾十艘小船上塞滿薪柴，灌上魚膏，外麵用帷幕、旌旗遮掩。然後，他選擇了一個東南風猛烈的夜晚，率領著船隊向江北衝去。在離北軍兩裏的水麵上，黃蓋命令各船同時點火。火猛風烈，船行如箭。曹軍以為是投降，沒有防備，結果小船點燃了他們的戰艦。刹那間大火騰空而起，火舌向對岸舔去，很快延至曹軍的營壘。江北頓時陷入一片火海之中，曹軍將士亂作一團，被燒死、淹死者難計其數。曹操猝不及防，無心迎敵，索性命人把未點燃的戰船和不便帶走的軍需付之一炬，帶著殘部向北敗逃。聯軍在劉備、周瑜的帶領下，水陸並進，一直追到南郡。曹操不願在荊州久留，就認命曹仁把守江陵，自己撤回北方區了。
赤壁一戰，曹軍損失慘重，死亡的人數超過一半。戰死之外，還有大批將士因饑餓、疫疾而喪命。戰爭的勝利，加強了孫氏政權在江東地區割據的地位，劉備也乘機向江南發展勢力。他表奏劉琦為荊州刺史，又南征武陵、長沙、桂陽、零陵，這四郡的太守先後投降。劉備因此占據了荊州的江南部分，形成三國鼎立的局麵。
赤壁之戰慘敗後，曹操轉而采取穩定自己後方的戰略，不敢輕易南下。建安二十五年（公元220年）正月，曹操病逝。曹丕繼位為魏王。十月，曹丕逼漢獻帝退位，代漢稱帝，曹魏建立。