劉備駐軍樊口，每天派巡邏的士兵在江邊眺望孫權的軍隊。士兵看到周瑜的船隊，就立即乘馬回營報告劉備。劉備派人前去尉勞。周瑜對慰勞的人說：“我有軍事任務在身，不能委派別人代理，如果劉備能屈尊前來會面，實在符合我的愿望。”劉備就乘一只船去見周瑜，說：“現在抵抗曹操，實在是很明智的決定。不知有多少戰士？”周瑜說：“三萬人。”劉備說：“可惜太少了。”周瑜說：“這已足夠用，將軍且看我擊敗曹軍。”劉備想要召呼魯肅等來共同談話，周瑜說：“接受軍令，不得隨意委托人代理，如果您要見魯肅，可以另去拜訪他。”劉備既很慚愧，又很高興，于是帶領關羽、張飛兩千人跟在周瑜的后面，不歸周瑜統領。
同年十二月，程普與周瑜分別任左右都督與劉備軍結成孫劉聯軍。孫劉聯軍逆水而上，行至赤壁，與正在渡江的曹軍相遇。曹軍當時已遭瘟疫流行，而新編水軍及新附荊州水軍難以磨合，士氣明顯不足，初戰被周瑜水軍打敗。曹操不得不把水軍“引次江北”與陸軍會合，把戰船靠到北岸烏林一側，操練水軍，等待良機。周瑜則把戰船停靠南岸赤壁一側，隔長江與曹軍對峙。
烽火赤壁
當時曹操為了北士卒不習慣坐船，于是將艦船首尾連接起來，人馬于船上如履平地。周瑜部將黃蓋說：“如今敵眾我寡，難以長期相持。曹軍正把戰船連在一起，首尾相接，可以用火攻，擊敗曹軍。”周瑜認為可行，于是選取蒙沖戰船十艘，裝上干荻和枯柴，在里邊澆上油，外面裹上帷幕，上邊插上旌旗，預先備好快艇，系在船尾，命黃蓋先派人送信給曹操，謊稱打算投降。詐降之日，黃蓋準備了幾十艘蒙沖、斗艦，滿載薪草膏油，外用赤幔偽裝，上插牙旗，在船后系上走舸。黃蓋遂令燃點柴草，同時發火，著火的船隊乘風快速向前飛駛，沖向曹營。黃蓋在途中不幸被流矢所中墮下水中，被救起時，吳軍居然認不出是黃蓋，將他安置在廁床中。黃蓋惟有自己大叫呼叫韓當，韓當發現他時，流著淚地解開他衣服，才得以保留性命。當時東南風正急，火烈風猛，把曹軍戰船全部燒光，火勢還蔓延到曹軍設在陸地上的營寨。頃刻間，濃煙烈火，遮天蔽日，曹軍人馬燒死和淹死的不計其數。
周瑜等率領輕裝的精銳戰士緊隨在后，鼓聲震天，奮勇向前，曹軍大敗。曹操率軍從華容道步行撤退，遇到泥濘，道路不通，天又刮起大風。曹操讓所有老弱殘兵背草鋪在路上，騎兵才勉強通過。老弱殘兵被人馬所踐踏，陷在泥中，死了很多。曹軍因為饑餓和疾病而死者大半。[1]周瑜、劉備軍隊水陸并進，一直尾隨追擊，但已經來不及。
此戰中，曹軍被燒死者很多，但大部分的曹軍都是因為饑餓和疾病而死。曹操回到江陵后，恐赤壁失利而使后方政權不穩，立即自還北方，留曹仁、徐晃等繼續留守南郡（治所江陵），文聘守江夏，而后委任樂進守襄陽、滿寵代理奮威將軍，屯于當陽。孫劉聯軍取得了赤壁之戰的勝利。
赤壁之戰，此戰后三國鼎立。