時機成熟，周武王決定出兵伐商，同時通知其他諸侯一起出兵。周武王伐商的戰略計劃是：趁商朝主力軍滯留東南之際，精銳部隊以迅雷不及掩耳之勢，擊潰朝歌守軍，一舉攻陷商都。佔領商朝的政治中心，瓦解商政權，讓殘餘的商人及其附屬方國的勢力群龍無首，然後各個擊破。

公元前1046年1月，周武王親率戰車三百乘，精銳武士三千人，以及步兵數萬人，出兵東征。2月，周軍抵達孟津，與庸、盧、彭、蜀等部族會合，聯軍總數達4。5萬人，不少方國的國君親自趕來。聯軍於2月26日佈陣未完就下起了雨，史稱聯軍共有“六師”。

軍事史家推測，大概是三百乘戰車，三千名虎賁為一個“裝甲師”，為第一梯隊。其餘四萬多人分為五個“師”，在後面組成方陣，為第二梯隊。後來聯軍冒雨繼續東進從汜地渡河水後，兼程北上，至百泉折而東行。2月28日拂曉，聯軍進至牧野。商紂王得知周軍來襲，只能倉促武裝大批奴隸、戰俘，連同守衛國都的軍隊，開赴牧野迎戰。

據《史記》記載，帝辛出動的總兵力有七十萬人，另一些文獻記載是十七萬。《詩經·大明》 稱：“殷商之旅，其會如林”。 周軍先由呂尚率數百名精兵上前挑戰，並衝亂其陣腳，然後周武王親率主力跟進衝殺，將對方的陣形徹底打亂。

商軍中的奴隸和戰俘全無鬥志，紛紛倒戈。聯軍的戰車、甲士、步兵一層層的進攻，商朝的陣線很快守不住了，士兵逃離戰場。商軍殘餘的抵抗仍然持續了一天，但已無力挽回局面。商紂王見大勢己去，返回朝歌，登上鹿臺，自焚而死，商朝正式滅亡。

但牧野之戰並沒有完全消滅商朝，商朝原領地的一部分作為商紂王之子武庚的封地，建立殷國，作為商朝的延續，商朝南征的軍隊也沒有被完全消滅。周武王死後，武庚聯合周室的管叔、蔡叔、霍叔發動“三監之亂”，最終被周公旦和周成王平定，商朝的殘餘勢力才被完全消滅。

牧野之戰是中國歷史上以少勝多，以弱勝強，先發制人的著名戰例，也是中國古代車戰初期的著名戰例。牧野之戰中所體現的謀略和作戰藝術，也對中國古代軍事思想的發展具有不可低估的意義。