这样就有了可乘之机，击破蜀军，当无困难。孙权当即批准了陆逊这一由防御转入反攻的作战计划。
陆逊在进行大规模反攻的前夕，先派遣小部队进行了一次试探性的进攻。
这次进攻虽未能奏效，但却使陆逊从中寻找到了破敌之法——火攻蜀军连营的作战方法。
因为当时正是炎夏季节，气候闷热，而蜀军的营寨都是由木栅所筑成，其周围又全是树林、茅草，一旦起火，就会烧成一片。
决战开始后，陆逊即命令吴军士卒各持茅草一把，乘夜突袭蜀军营寨，顺风放火。顿时间火势猛烈，蜀军大乱。
陆逊乘势发起反攻，迫使蜀军西退。吴将朱然率军五千，首先突破蜀军前锋，猛插到蜀军的后部，与韩当所部进围蜀军于涿乡（今湖北宜昌西），切断了蜀军的退路。
潘璋所部猛攻蜀军冯习部，大破之。诸葛瑾、骆统、周胤诸部配合陆逊的主力在猇亭向蜀军发起攻击。守御夷道的孙桓部也主动出击、投入战斗。
吴军进展顺利，很快就攻破蜀军营寨四十余座，并且用水军截断了蜀军长江两岸的联系。蜀军将领张南、冯习及土着部族首领沙摩柯等阵亡，杜路、刘宁等卸甲投降。
刘备见全线崩溃，逃往夷陵西北马鞍山，命蜀军环山据险自卫。陆逊集中兵力，四面围攻，又歼灭蜀军近万之众。
至此，蜀军溃不成军，大部死伤和逃散，车、船和其他军用物资丧失殆尽。
刘备乘夜突围逃遁，蜀军将领傅肜率部为之后殿，战至兵众尽死，傅肜壮气益烈。
吴人谕之，想让傅肜投降。傅肜骂曰：“吴狗！安有汉将军而降者！”最终，傅肜奋战而死。
但是，提前出发的吴将孙桓部却走在了刘备的前面，截断了刘备回益州的要道。
当刘备行至石门山（今湖北巴东东北）时，差点被孙桓部擒获。刘备逾山越险，才得以摆脱追兵，逃入永安城（又叫白帝城，在今重庆市奉节东）。
这时，蜀军镇北将军黄权所部正在江北防御魏军。刘备败退后，黄权向西的归路被吴军截断，黄权又耻于向吴军投降，不得已于八月率众北进，向曹魏投降。
同月，马良由南方往西北撤退时，被吴将步骘截击而死。只有向宠的军队特别完整从夷陵回到蜀地。
此战，刘备军几乎全军覆没，阵亡数万人。
刘备逃到白帝城后，吴将潘璋、徐盛等人都主张乘胜追击，扩大战果。但此时刘备收拢散兵以及赵云的后军来援，永安驻军接近两万，陆逊已经失去攻克永安的机会。
再加上他顾忌曹魏方面乘机浑水摸鱼、袭击后方，遂停止追击，主动撤兵。九月，曹魏果然攻吴，但因陆逊早有准备，魏军终于无功而返。
次年四月，刘备一病不起，亡故于白帝城。夷陵之战就这样结束了。
东吴守住了荆州，而蜀汉受到重创，元气大伤。此战两国实力都受到影响，为双方日后消除矛盾、共同抗魏奠定基础。
战役中失利的蜀汉昭烈帝刘备向西败逃，但是到了益州东部的永安便不再西进。
孙权方面虽然获胜，但是听到刘备驻扎在离边境如此之近的地方仍然感到畏惧，遣使议和。
因长期征战和兵败而心力交瘁的刘备同意停战，次年四月逝世，蜀汉军政大权全部托付于丞相诸葛亮，后者立即遣使与东吴恢复同盟，共同对抗曹魏。
夷陵之败让新建的蜀汉政权受到沉重的打击，不仅损失大量士兵与物资，还有多名将领阵亡。而隔年，君主刘备的死亡更让这个建立在他名望之上的国家摇摇欲坠，国内叛乱四起。
丞相诸葛亮花了约5年的时间才能重建军队与弥平这些叛乱，并让国力提升到可以对外出兵的地步。
这场战役之后近四十年的时间内，三国互相之间的疆域基本保持不变，吴蜀重修于好的联盟，再也没有发生动摇，三国局势出现稳定的对峙。
夷陵之战，也因此被认为是前后三国的分界点之一。
正因为有着那么大的影响，因而与袁绍攻曹操的官渡之战、曹操攻孙刘联军的赤壁之战，并称为三国三大战役。
夷陵之战中，“火烧连营”可以认为是重要转折，这既是刘备最大的军事失误，也是陆逊军事谋略的重要体现。
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