随着曹操的命令，一直节衣缩食、勒紧裤腰带的曹军拿出了囤积的粮食，全军杀猪宰羊，大吃大喝、饱餐一顿，同时，曹操设宴款待孔明。
曹孔联军可谓“破釜”，袁军可谓“沉舟”，但曹孔联军士气高昂，上下一心地一战求胜，袁军则士气枯竭、军心崩溃。曹孔联军有破釜沉舟的勇气信心，背水一战的袁军则全军动荡。
中午时分，曹孔联军鼓声震天，几万步骑军士以排山倒海之势杀向了黄河南岸边的袁军，齐鲁军水师的舰队也在黄河上开到袁军的后方，箭如雨下地攻击袁军，双方展开了最终决战。在杀声震天的乱军混战中，袁军大将文丑带着副将吕旷、吕翔率军拼死抵抗，掩护袁绍逃跑。齐鲁军骑兵先锋吕布一马当先，直取文丑。
“天呐！是吕布！”看到吕布的袁军士卒无不亡魂丧胆，无人敢拦。吕布所到之处如入无人之境，袁军士卒纷纷连滚带爬地逃散开，军阵犹如波开浪裂。
“吕布在此！文丑受死！”吕布一边纵马飞驰一边高声大喝。
正在进行困兽犹斗的文丑见吕布杀来，顿时心虚胆怯，他急忙张弓搭箭，一箭射向吕布面门，吕布手中方天画戟一挥，眼疾手快地拨飞了文丑的羽箭，继而已经纵马奔至文丑跟前。文丑不得不挺枪迎战，在勉强招架了几个回合后，他慌忙勒马回头，试图逃跑。吕布赤兔马奔驰如飞，已经抢先一步地赶上文丑，继而闪电般一戟刺穿文丑的后背前胸。文丑惨叫一声，口中鲜血狂喷，坠马丧命。
击杀文丑后，吕布翻身下马，拔出佩刀割掉文丑首级，将其栓在马项下，继而飞身上马，挺起方天画戟率领齐鲁军骑兵对袁军大开杀戒，势不可挡。袁军见到吕布马项下的文丑首级，无不肝胆俱裂，要么投降要么逃跑。文丑副将吕旷、吕翔毫无对战吕布的勇气，一起投降了。
仅仅一个下午，在黄河南岸的十多万袁军就被曹孔联军打垮了，死伤了二三万人，投降、被俘七八万人。袁绍带着袁熙、袁尚以及不到三百人在上游找了一个野渡口仓惶逃回了河北，逢纪、郭图等人死于乱军之中，荀谌被俘，由于他是荀彧、荀攸的亲戚，因此曹操没有杀他。
逃到黄河北岸的袁绍万箭穿心、肝肠寸断地仰天大恸：“苍天哪！苍天为何助曹不助袁？”因为极度的悲愤、绝望、痛苦，他大叫一声，口中猛地喷吐出一道血箭，随即倒地昏迷不醒。
大获全胜的曹孔联军随即北渡黄河，高歌猛进、乘胜追击。留守邺城的审配得知此事后大惊失色，急忙派遣大将苏由、冯礼率军一万前去救援袁绍，同时，袁绍的外甥、并州刺史高干也派遣大将邓升、郭援、张琰率军两万前去援救袁绍。北渡黄河的曹孔联军与袁军援军在野王县境内大战数场，袁军一败再败，死伤近一万人，投降、被俘近两万人，苏由、冯礼、邓升、张琰等袁军将领尽皆死于激战，郭援被俘，由于他是钟繇的外甥，因此曹操没有杀他。
东汉建安六年（西元196年）十一月初，曹操在孔明的援助下取得袁曹大战（荥阳之战）的胜利，累计歼灭袁军十七万余人。经过袁孔之战、袁曹之战，袁绍的势力彻底地一蹶不振。
曹孔联军在荥阳之战中累计俘获了十万余袁兵，孔明向曹操将其全部索要了。孔明记得，根据书上记载，曹操在赢得官渡之战的胜利后坑杀了投降、被俘的六七万袁兵。曹操这么做，一是打击袁绍的实力，二是震慑袁军余部，三是曹军粮食不足，养不起数量众多的袁军俘虏，这跟白起在长平之战后坑杀四十万赵军降卒是一个道理。
孔明自然不忍那些袁军降兵都被曹军屠杀，况且，人的生命是最宝贵的东西，人口也是最宝贵的资源，因此，他跟曹操索要了全部的袁军降兵，包括伤兵在内，反正他手里有大量粮食。这些袁军降兵跟齐鲁军在袁孔之战中俘获的十三万余袁军降兵一样，被孔明带回齐鲁，处以劳役两年，在两年后再将其释放回家。