公元前1027年（壹說前1057年）正月，周武王統率兵車300乘，虎賁3000人，甲士4萬5千人，浩浩蕩蕩東進伐商。同月下旬，周軍進抵孟津，在那裏與反商的庸、盧、彭、濮、蜀（均居今漢水流域）、羌、微（均居今渭水流域）、髳（居今山西省平陸南）等方國部落的部隊會合。武王利用商地人心歸周的有利形勢，率本部及協同自己作戰的方國部落軍隊，於正月二十八日由孟津冒雨迅速東進。從汜地（今河南滎陽汜水鎮）渡過黃河後，兼程北上，至百泉（今河南輝縣西北）折而東行，直指朝歌。周師沿途沒有遇到商軍的抵抗，故開進順利，僅經過6天的行程，便於二月初四拂曉抵達牧野。
周軍進攻的消息傳至朝歌，商朝廷上下壹片驚恐。商紂王無奈之中只好倉促部署防禦。但此時商軍主力還遠在東南地區，無法立即調回。於是只好武裝大批奴隸，連同守衛國都的商軍***約17萬人（壹說70萬，殊難相信），由自己率領，開赴牧野迎戰周師。
二月初五淩晨，周軍布陣完畢，莊嚴誓師，史稱“牧誓”。武王在陣前聲討紂王聽信寵姬讒言，不祭祀祖宗，招誘四方的罪人和逃亡的奴隸，暴虐地殘害百姓等諸多罪行，從而激發起從征將士的敵愾心與鬥誌。接著，武王又鄭重宣布了作戰中的行動要求和軍事紀律：每前進六步、七步，就要停止取齊，以保持隊形；每擊刺四、五次或六、七次，也要停止取齊，以穩住陣腳。嚴申不準殺害降者，以瓦解商軍。
誓師後，武王下令向商軍發起總攻擊。他先使“師尚父與百夫致師”，即讓呂尚率領壹部分精銳突擊部隊向商軍挑戰，以牽制迷惑敵人，並打亂其陣腳。商軍中的奴隸和戰俘心向武王，這時便紛紛起義，掉轉戈矛，幫助周帥作戰。武王乘勢以“大卒（主力）沖馳帝紂師”，猛烈沖殺敵軍。於是商軍十幾萬之眾頃刻土崩瓦解。紂王見大勢盡去，於當天晚上倉惶逃回朝歌，登上鹿臺自焚而死。周軍乘勝進擊，攻占朝歌，滅亡商朝。爾後，武王分兵四出，征伐商朝各地諸侯，肅清殷商殘余勢力。
牧野之戰是我國古代車戰初期的著名戰例，它終止了殷商王朝的六百年統治，確立了周王朝對中原地區的統治秩序，為西周奴隸制禮樂文明的全面興盛開辟了道路，對後世歷史的發展產生了深遠的影響。而其所體現的謀略和作戰藝術，也對古代軍事思想的發展具有不可低估的意義。