同年十二月，程普与周瑜分别任左右都督，与刘备军结成孙刘联军。孙刘联军逆水而上，行至赤壁，与正在渡江的曹军相遇。曹军当时已遭瘟疫流行，而新编水军及新附荆州水军难以磨合，士气明显不足，初战被周瑜水军打败。曹操不得不把水军“引次江北”与陆军会合，把战船靠到北岸乌林一侧，操练水军，等待良机。周瑜则把战船停靠南岸赤壁一侧，隔长江与曹军对峙。
火烧赤壁
当时曹操为了北士卒不习惯坐船，于是将舰船首尾连接起来，人马于船上如履平地。周瑜部将黄盖说：“如今敌众我寡，难以长期相持。曹军正把战船连在一起，首尾相接，可以用火攻，击败曹军。”于是，选取蒙冲战船十艘，装上干荻和枯柴，在里边浇上油，外面裹上帷幕，上边插上旌旗，预先备好快艇，系在船尾。黄盖先派人送信给曹操，谎称打算投降。
诈降之日，黄盖准备了几十艘蒙冲、斗舰，满载薪草膏油，外用赤幔伪装，上插牙旗，在船后系上走舸。黄盖遂令燃点柴草，同时发火，着火的船队乘风快速向前飞驶，冲向曹营。黄盖在途中不幸被流矢所中堕下水中，被救起时，吴军居然认不出是黄盖，将他安置在厕床中。黄盖惟有自己大叫呼叫韩当，韩当发现他时，流着泪地解开他衣服，才得以保留性命。当时东南风正急，火烈风猛，把曹军战船全部烧光，火势还蔓延到曹军设在陆地上的营寨。顷刻间，浓烟烈火，遮天蔽日，曹军人马烧死和淹死的不计其数。
周瑜等率领轻装的精锐战士紧随在后，鼓声震天，奋勇向前，曹军大败。曹操率军从华容道步行撤退，遇到泥泞，道路不通，天又刮起大风。曹操让所有老弱残兵背草铺在路上，骑兵才勉强通过。老弱残兵被人马所践踏，陷在泥中，死了很多。周瑜、刘备军队水陆并进，一直尾随追击，但已经来不及。
此战中曹军伤亡过半，曹操回到江陵后，恐赤壁失利而使后方政权不稳，立即自还北方，留曹仁、徐晃等继续留守南郡（治所江陵），文聘守江夏，而后委任乐进守襄阳、满宠代理奋威将军，屯于当阳。孙刘联军取得了赤壁之战的胜利。
孙权亲率大军北攻合肥，却中计退兵；张昭率军进攻当涂，不克，也退兵了；周瑜等亦进攻曹仁留守的江陵，隔江对峙，周瑜另遣甘宁袭取夷陵，曹仁也分兵围攻。甘宁向周瑜告急，周瑜用吕蒙之计，留凌统守后，自己就与吕蒙前往解救，甘宁之围解决后，即引到北岸。吴军先锋先包围前来迎战的曹仁部将牛金，后来反被曹仁两次突入救出自军。后双方克期大战。周瑜亲自跨马上阵，却被流矢射中右胁，颇为重伤，于是退还。后曹仁知道周瑜卧未起，勒兵到吴阵。周瑜便起来，案行军营，激扬吏士，曹仁于是退回。
另一方面，刘备于是上表刘琦为荆州刺史，南下荆州南部，包括武陵、长沙、桂阳、零陵，四郡投降，拔擢诸葛亮负责督零陵、桂阳、长沙三郡，调其赋税，以充军实。
孙权仼命周瑜为南郡太守，程普为江夏太守，全柔为桂阳太守。而周瑜则分公安给刘备屯驻。
赤壁之战的失利使曹操失去了在短时间内统一全国的可能性，而孙刘双方则借此胜役开始发展壮大各自势力，刘备向孙权借荆州后实力迅速壮大，进而谋取益州，孙权屡次亲率大军进攻合肥，数战不利，损兵折将。曹操在退回北方后，休养生息五年，平定关中后才大举南征孙权。此战形成天下三分的雏形，奠定三国鼎立的基础。
曹操的失误：
（1）马超、韩遂尚在关西，为操后患。关西军一直是曹操的威胁。
（2）且舍鞍马，仗舟楫，与吴越争衡，本非中国所长；曹操也明白这个道理，他希望的是用荆州水军对抗吴军，可惜他错了，赤壁之战前那场接触战证明了一切。所以曹操才会索战船，只不过正是因为这样才被敌人火攻。说到底还是水军不济造成的。张辽在庾信的《哀江南赋》中提到：“张辽临于赤壁，王濬下于巴丘”。曹操的主力部队悉数开赴赤壁了。他希望以荆州水军为主力，进而利用绝对的兵力优势渡江，只是他高估了荆州水军，低估了吴军和长江。
（3）又今盛寒，马无藁草；《三国志·孙权传》记载：公烧其馀船引退，士卒饥疫，死者大半。可见战马没有草料，人也好不到哪去，饥饿与瘟疫是困扰曹军的两大难题。这样的部队即使数量多也很难取胜。
（4）驱中国士众远涉江湖之间，不习水土，必生疾病。《三国志·曹操传》：公至赤壁，与备战，不利。於是大疫，吏士多死者，乃引军还。备遂有荆州、江南诸郡。
李友松的《曹操兵败赤壁与血吸虫病关系之探讨》一文，指出曹操赤壁之战兵败的原因是“疾病”—急性血吸虫病。赤壁之战的战场恰恰是当时血吸虫病严重流行的地区，而且时间又是血吸虫病的感染季节。赤壁之战是在冬天开始的，但曹军在转徙、训练时间是在秋天。曹操水军在赤壁之战战前染上血吸虫病，经过一个月以上的时间就发病了，致使大战时疲病交加，不堪一击。而刘、孙军队长期在血吸虫流行的疫区中从事生产、生活，士兵体内或多或少已产生一定的免疫力。但是这个观点也有缺陷，曹操水军主要来自荆州水军，这些士兵对血吸虫的免疫力应跟孙刘联军应该差别不大，所以该是其他疫病。
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