同年2月21日，周军抵达孟津，与庸、卢、彭、濮、蜀等部族会合，联军总人数到达4.5万人，不少方国的国君亲自赶来。联军于2月26日布阵未完就下了雨，史称联军共有“六师”。史家推测，大概是三百乘战车，三千名虎贲为一个“甲师”，为第一梯队。其余四万多人分为五个“师”，在后面组成方阵，为第二梯队。后来联军冒雨继续东进从汜地（今荥阳市汜水镇）渡河水（黄河，一说由孟津渡河）后，兼程北上，至百泉（今辉县西北）折而东行。
27日清晨，在牧地，周武王庄严誓师，向天祷告，以正义之气激发周军及诸侯的军队士气，联军士气大振。28日拂晓，联军进至牧野。
此时，将精锐力量战车军团派往南方征服蛮夷的商都朝歌城内兵力空虚。朝歌方面，第一批紧急军情前脚刚传到朝歌，伐商联军后脚就跟着来了，着实被打了个措手不及。朝歌城内没有足够的精兵可以破敌，而且也没有可用的战车，单靠步兵，很难和冲击力强大的战车阵相抗衡，更何况周军士气正锐。帝辛惊闻周军来袭，只好仓促武装大批奴隶、战俘，连同守卫国都的军队共十七万，开赴牧野迎战，这也是周国兵力的数倍。
牧野战场，双方摆开阵仗，军旗咧咧，在封神演义中，双方都目视对方，但周军精锐，商朝军队由于是奴隶、战俘组成参差不齐，兵无战心。周武王与商纣王都述说对方的不义之处，于是在擂鼓声声中，交战开始。
在战初，周军先由吕尚率数百名精兵上前挑战，震慑商军并冲乱其阵脚，在阵后看到前军取得胜利，于是周武王亲率主力跟进冲杀，周军士气高昂，在不断地冲击中将商军的阵形彻底打乱。
商军中的奴隶和战俘全无斗志，纷纷倒戈，帝辛既然强迫这些奴隶和战俘上战场，自然会在后方以亲信部队押送，防范他们反叛或逃跑。这些少量忠心的禁卫军，也是帝辛手中最后的底牌。
然而前方的军队在周军的强大冲击下慌不择路地往回跑，遭到了后方精兵的阻拦。好汉不敌人多，在人潮的冲击下，这些武士也阵脚不稳。奴隶们为了逃命，加上被后面人潮推动，于是倒戈相向，许多人调转武器，冲在前面替周军开路，这就是典故“阵前倒戈”的出处。再加上身后联军的战车、甲士、步兵一层层的进攻，帝辛的最后一道阵线也守不住了，不得不快马加鞭，逃离战场。
商军残余的抵抗仍然持续了一天，但已无力挽回局面。帝辛见大势已去，返回朝歌，在不甘和悔恨中，登上自己建造的鹿台，以熊熊烈火绝望而死，没让加诸于姬昌的行为回到自身，也算救赎自己的罪孽，自此商朝正式灭亡。
周武王赶到鹿台时，用短剑击刺帝辛的尸体，并亲自斩其头颅悬旗示众。另有一百多个商朝的大臣贵族被俘。他们后来被带回周京，作为武王祭祖的人牲而被杀死，这点于商汤灭夏时有所不同。
第二天，武王在几个将帅的簇拥下，在商宫中举行了盛大的“受命”的仪式，登基为天下的共主。
但攻克殷都并不意味着战争的结束，更重要的任务是消灭东方的商朝残余势力。按照事先的方略，联军随即兵分四路，向东南方进发，去征讨商的残部和忠于商的方国。
剩下的商军由于后方根据地已经失掉，前方又处于敌对夷人的包围下，实为两面受敌，经过激烈战斗，也大部被击溃。史称周军驱逐商朝大将蜚廉（即后世传说中的黄飞虎）于海滨而杀之，可见战线已经拉长到了东海。
战争影响
牧野之战周武王大获全胜，被杀死的商人有十八万之多，被掳为奴隶的有三十三万，这么大的数量不都是军人，还有有大量的平民，周人还在商人的国土上大肆捕猎，虎、熊、犀牛、鹿等动物仅在武王名下就被猎杀了一万多头，并掠夺了大量的珠宝财物，仅佩玉就达到十八万块。
不到两个月内，主要的战斗已经结束。四月中旬。武王在商都建立祭室，向列祖列宗告捷。祭室的地点就选在牧野，正是这个地方，奠定了周朝八百年的大业。后来武王建都镐京，大封天下，与封神有异曲同工之意。
因殷商遗民众多，周武王并没有完全消灭商朝的残余势力，把商朝原领地的一部分作为帝辛之子武庚的封地，建立殷国，作为商朝的延续，就是后来的春秋时期的宋国。
商朝南征的军队也没有被完全消灭，周武王死后，武庚联合周室的管叔、蔡叔、霍叔发动“三监之乱”，最终被周公旦和周成王平定，商朝的残余势力才被完全消灭。
牧野之战直接导致商朝灭亡，周朝建立，开启了中国历史上长达800年的周代统治（西周与东周）。周武王通过分封诸侯（如姜尚封于齐、周公封于鲁），形成以宗法制度为核心的等级化政治体系，奠定了后世封建制度的基础。周朝以“天命靡常，惟德是辅”解释政权合法性，强调统治者需以“德”治国，这一思想成为后世王朝更迭的理论依据（如儒家“仁政”思想）。
商朝盛行的人祭、人殉制度在周代逐渐被废除，社会转向更注重礼乐文明的治理方式（如周公制礼作乐）。周朝通过分封和文化整合，将中原及周边部族纳入“华夏”体系，推动了民族融合与文化统一。商朝的甲骨文被周人继承并发展为金文，周代的《尚书》《周易》等文献保存了早期历史记忆。
战争评价
牧野之战是中国历史上以少胜多，以弱胜强，先发制人的著名战例，也是中国古代车战初期的著名战例。周武王通过联合反对商纣的诸侯（如庸、蜀、羌等部族），并策反商军奴隶倒戈，体现了“攻心为上”的战略思想。如《孙子兵法》中“上兵伐谋”“不战而屈人之兵”等思想，均可追溯至此战的策略运用。
它终止了六百年的商王朝，确立了西周王朝的统治，为西周时期礼乐文明的全面兴盛开辟了道路。
随着时间的推移，牧野之战也蒙上了一层又一层神秘的面纱。当时的记录下，帝辛尚不失