孫武等人見楚軍已陷入完全被動困境，就當機立斷，決定同楚軍進行戰略決戰。十一月九日，闔閭、孫武等人指揮吳軍在柏舉地區（今湖北漢川縣北，一說今湖北麻城）布列陣勢，迎戰楚軍。
闔閭之弟夫概認為囊瓦素來不得人心，楚軍上下無死戰求勝之誌，因此建議吳軍立即主動發起攻擊。他指出，隻要吳軍一進攻，楚軍就必然會陷入混亂，很快崩潰，屆時己方再以主力投入戰鬥，必然大獲全勝。然而闔閭等人出於謹慎的考慮，否決了夫概的意見。夫概不願放棄這一勝敵的良機，便憑借一腔血氣率領自己所部的五千餘眾奮勇進攻囊瓦的部隊。楚軍果然一觸即潰，陣勢大亂。闔閭、孫武等人見夫概部突擊成功，乃乘機將主力投入交戰，擴張戰果，大勝楚軍。囊瓦在吳軍的沉重打擊麵前喪魂失魄，棄殘軍於不顧，倉皇逃奔鄭國，史皇戰死沙場。吳軍取得了柏舉會戰的決定性勝利。
楚軍在遭受重創之後狼狽向西南方向潰逃。孫武等人指揮吳軍及時實施戰略追擊，尾隨不舍。終於在柏舉西南的清發水（即溳水，今湖北安陸西）追及楚軍。吳軍“因敵製勝”，采用“半濟而擊”的戰法，再度給渡河逃命之中的楚軍以極其沉重的打擊。而後，吳軍繼續乘勝追擊，至雍氵筮（今湖北京山西南）追及正在埋鍋做飯的楚軍殘兵敗將，痛加聚殲，並在那裏與由息地（今河南息縣西南）回援的楚軍沈尹戌部相遭遇。兩軍相遇勇者勝，經過一場激烈的拚殺，楚軍又被孫武等人所指揮的吳國勁旅徹底擊潰，主將沈尹戌回天無力，傷重身亡。至此，曾經不可一世的楚軍全線崩潰，郢都（今湖北江陵西北）完全暴露在吳軍的麵前。闔閭、孫武等人揮師挺進，勢如破竹，五戰五勝，長驅直入，兵鋒直指郢都。楚昭王見大勢盡去，隻得攜帶胞妹和少數臣子淒淒慘慘、惶惶如喪家之犬出奔隨國（今湖北隨州）。十一月二十九日，孫武等人統率吳軍一舉攻陷郢都，柏舉之戰至此終於以吳軍的輝煌勝利而宣告結束。
柏舉之戰是春秋晚期一次規模宏大、戰法靈活、影響深遠的大戰。吳軍在闔閭、孫武等人的指揮下，靈活機動，因敵用兵，以迂回奔襲、後退疲敵、尋機決戰、深遠追擊等戰法，一舉戰勝多年的敵手楚國，給長期稱雄的楚國以十分沉重的打擊，從而在很大程度上改變了春秋晚期的整個戰略格局，為吳國的進一步崛起，進而爭霸中原奠定了堅實的基礎。
吳軍的取勝，首先，是修明政治、發展生產、擴充軍備的結果；其次，是善於“伐交”，爭取晉國的支持和唐、蔡兩國的協助的產物；再次，也是最為重要的一點，在於其作戰指導上的高明。即①采取疲楚誤楚的正確戰略，使楚軍疲於奔命，並且鬆懈戒備；②正確選擇有利的進攻方向，“以迂為直”，乘隙蹈虛，實施遠距離的戰略奇襲，迫使楚軍在十分被動的情況下倉促應戰；③把握有利的決戰時機，先發製人，一舉擊敗楚軍的主力；④適時進行戰略追擊，不給楚軍以任何重整旗鼓、展開反擊的機會，最終順利地奪取戰爭的勝利。
楚軍的失敗，其政治、外交上的原因，在於其政治腐敗、內部動亂、將帥不和、四麵樹敵、自陷孤立。從軍事角度看，則在於其疏於戒備，招致奇襲；在於其主將貪鄙無能，臨戰乏術；在於其輕率決戰，一敗即潰。
柏舉之戰也是孫武親自參與指揮的最重要的一次戰爭。