曹操占据江陵以后，谋士贾诩建议利用荆州丰富的资源，休养军民，巩固新占地区，然后再东下夺取江东。但是，一向慎于谋略、善于纳言的曹操这次有些浮躁。他觉得自己轻易赶走了刘备，使刘备“几无可立锥之地”，占据了富饶险要的荆州，又收编了刘琮的军队，补充了自己的水军，获得了大量军资，兵力更加强大，刘备、孙权都不在话下。因此，他没有认真考虑贾诩的建议，迅速挥兵东下。
在夏口的刘备得知曹军日益逼近，心中很着急，每天派人探听孙权方面的消息，后来终于得到报告说孙权已下令抗曹，并派水军前来会合。刘备非常高兴，忙派人去犒劳孙权军队，并亲自乘船迎接周瑜。两军会合后，马上西上迎敌。
曹军在赤壁（今湖北嘉鱼，在长江南岸）与孙刘联军相遇。曹操的先头部队被孙刘联军打败，退到北岸的乌林，与主力会合，双方在赤壁一带隔江对峙。诸葛亮、周瑜在分析曹军情况时指出曹军虽然势大，但发挥不出很强的战斗力。果然，曹操的军队初到南方，水土不服，军中发生瘟疫，许多人生了病，战斗力大大削弱。同时，曹军多半不习水性，受不了江上风浪的颠簸，有的连站都站不稳，根本不能对敌。于是，曹操下令用铁索将战船连在一起，上面铺上木板，以减少船身的摇晃。但是，这样做有个致命的弱点，就是不灵活。
周瑜的部将黄盖看出这一点，就对孙权说：“现在敌多我少，如果长期相持，对我们很不利，必须赶快设法破敌才行。如今曹军用铁索把战船连起来，首尾相接，我们可以用火攻的办法打败他们。”
周瑜也正有这个想法，但实现火攻的条件是在敌人不防备的情况下接近他们，否则难以奏效。周瑜跟黄盖商量，决定采用诈降的办法深入曹营。黄盖派人到曹营去投书，表示要投降。降书说：“黄盖在江东深受孙氏厚恩，担任将帅，待遇不薄，理应效命。但是从天下大势看来，用江东六郡兵力，抗拒中原百万之众，寡不敌众，这是所有人都看得到的。江东的将吏，不论智愚，都知道不可交战，唯独周瑜、鲁肃褊狭浅薄，不明大势。现在黄盖归顺曹公，是真心实意。周瑜所领之军，是容易打败的。等到双方交锋之日，我愿意利用担任前锋的便利，相机行事，以报效曹公。”
曹操得到降书后，开始有些怀疑，但信中说得合情合理，再加上他过分自信，便对黄盖深信不疑，并同送信人约定黄盖投降的时间和信号。公元208年十一月的一天，黄盖带领十艘大船，船上装满干草，里面浸上油液，外面用布幕裹好，插上约定的旗号，又在每艘大船的后边拴上机动灵活、便于攻战的小艇——走舸。黄盖借归降靠近曹船，之后命令十艘大船的士兵同时发火，冲向曹军水寨，然后跳上小艇退走。这时正刮着猛烈的东南风，火借风势，风助火威，顷刻间曹军战船燃烧起来。曹操下令解开铁索，无奈火势太猛，水寨很快淹没在火海中。接着，烈火又蔓延到岸上曹军营寨，曹军大乱，孙刘联军乘机发动猛攻。曹军本来多为陆军，不习水战，又有病在身，加上突如其来的火攻和对方精锐水军的猛烈攻击，被杀得落花流水，伤亡很大。
曹操见大势已去，忙带领残兵败将，从陆路经华容（今湖北监利东北）向江陵逃去。道路泥泞，战马陷入泥中难以行进，曹操派兵寻找枯枝杂草填在路上才勉强通过。一路上败逃的士兵争先恐后，自相践踏，死伤无数。刘备、周瑜率领联军水陆并进，一直追赶到南郡。曹操留下征南将军曹仁、横野将军徐晃守江陵，折冲将军乐进守襄阳，自己率部回北方。赤壁之战以孙刘联军的胜利和曹操的失败告终。
赤壁之战后，孙、刘双方都进一步发展势力。周瑜率兵攻打江陵的曹仁，取得了江陵及其以东的大片土地。刘备则乘胜向武陵、长沙、桂阳、零陵四郡（都在今湖南境内）发展势力，占据了荆州江南部分。
赤壁之战是三国鼎立局面形成的重要战役。战后，曹操退回北方，一时无力南下，便向关西（潼关以西）发展势力。刘备以荆州为根据地，向益州地区进军。孙权稳定了在江东的统治，得以向岭南地区扩张。这样，三国鼎立局面便逐渐形成了。
后来，曹操在北方建立魏国，孙权在江东建立吴国，刘备则在四川建立蜀国，三分天下。这与诸葛亮、鲁肃这些人的想法不谋而合，三国各自图强，发展经济，开发边疆，与少数民族的关系大大加强，为中国历史书写了绚丽的一章。