这次观兵实际上是一次为灭商做准备的军事演习和检阅。他率大军先西行至毕原（今陕西长安县内）文王陵墓祭奠，然后转而东行向朝歌前进。在中军竖起写有父亲西伯昌名字的大木牌，自己只称太子发，意为仍由文王任统帅。大军抵达黄河南岸的盂津（今河南孟津县东北），有800诸侯闻讯赶来参加。人心向周、商纣王孤立无援的形势已形成，诸侯均力劝武王立即向朝歌进军。武王和姜尚则认为时机还不成熟，在军队渡过黄河后又下令全军返回，并以“诸位不知天命”告诫大家不要操之过急。
当时，商纣王已感觉到周人对自己构成的严重威胁，决定对周用兵。然而这一拟定中的军事行动，却因东夷族的反叛而化为泡影。为平息东夷的反叛，纣王调动部队倾全力进攻东夷，结果造成西线兵力的极大空虚。与此同时，商朝统治集团内部的矛盾呈现白炽化。
这时纣王的昏庸暴虐却更加变本加厉了。有天早晨，纣王在鹿台上与妲己一起观赏风景。此时正是隆冬天气，他们看见远处的淇水边有一老一少两个人正赤着脚在蹚水过河。前面的老人走得很快，好像不太怕冷，而后面的年轻人却缩手缩脚，一副十分怕冷的样子。为什么年轻人反倒不如老年人？纣王觉得奇怪。妲己说，这是因为那老人的父母生他时很年轻，因此他的骨髓饱满、精血旺盛；而这年轻人则相反，是一对老年夫妇所生，因此他的骨髓先天就不饱满。纣王不信，就命武士立刻去将两人抓来，当场砍开他们的脚胫骨看个究竟。还有一次，纣王为了与妲己打赌在鹿台下路过的一个孕妇肚里的孩子是男是女，又让武士马上剖开了她的肚子。
大臣箕子见纣王实在闹得不像话，进宫去劝谏。纣王一怒之下，下令将箕子剃了光头，关到后宫做奴隶。比干去为箕子说情，纣王竟命武士将他剖胸剜心，说是要看看他这个装假正经的圣人到底长了几个心眼。微子看到纣王实在无药可救了，他不愿亲眼目睹商朝的灭亡，就带着家眷，抱着商朝宗庙祭器逃离了朝歌，隐居起来了。
商纣饰过拒谏，肆意胡为。百姓皆侧目而视，缄口不言。武王同姜尚研究，认为灭商条件已完全成熟，遵照文王“时至而勿疑”的遗嘱，果断决定发兵伐商，通告各诸侯国向朝歌进军。
公元前1046年，周师出兵前按惯例用甲骨占卜，不料结果居然大大不利。发兵的各路诸侯原本就对商的军力有所顾忌，同时暴风骤雨忽然而至，更加动摇了讨伐商纣的信心。
在古时候打仗，都是相信神灵的，吉则行，凶则止。但周武王算的这一卦却是一个不祥之兆，同时还伴随着暴风雨。这样武王手下的那帮大臣很是惧怕，都一致反对出兵伐纣。但精通天文地理，胸藏无量韬略的姜子牙却不信这些。他知道这是一个千载难逢的时机，如不及早动手，过不多久商纣王南征的精锐部队将要归来，那时再攻打将是一个未知数，而现在进军就能轻而易举攻克。
于是，就在大家面面相觑的时候，姜子牙一把抓起龟甲兽骨扔在地上，大喝道：“枯骨朽龟，知道什么天命！”在他的坚持下，武王恢复了信心，出兵仍然按原计划进行。伐商的战略计划是：趁商朝主力军滞留东南之际，精锐部队以迅雷不及掩耳之势，深入王畿，击溃朝歌守军，一举攻陷商都，占领商朝的政治中心，瓦解商政权，让残余的商人及其附属方国的势力群龙无首，然后各个击破。
事实上，果如姜子牙所预料的那样，消灭商纣王后，凯旋而归。商王朝的10万精锐部队走到半路上闻听商王朝灭亡了，便迅速与当地商王朝残余部队勾结，形成了一个宠大而顽强的军队，后来姜子牙派兵方消灭掉。
大军到达朝歌郊外70里处的牧野（今河南汲县南），各诸侯率兵车4000乘会合。这时候，商纣王正带着他的宠妃和一帮大臣，在鹿台上醉生梦死，吃喝玩乐，丝毫没有准备。纣王闻知周兵已到的消息后，这时才着慌起来，连忙组织军队抵抗。但朝歌的守城军队不多，他只好临时抱佛脚，将城内的大批奴隶和前几年与东夷的战争中抓来的俘虏统统武装起来，开往前线。纣王亲自率领这支号称有70万人的杂牌军，来到牧野与武王的联军对阵。这就是历史上著名的牧野之战。
牧野之战是我国古代史上规模空前的一场大战。虽然在军队数量上。周武王的讨伐大军远远少于商纣王的部队，可是论士气，周武王的伐纣大军同仇敌忾。论战斗力，周武王的伐纣大军训练有素。这就不是纣王的乌合之众所能比拟的了。
甲子日凌晨，北风劲吹，牧野上下杀气腾腾，双方大军严阵以待。只见武王立在战车上，左执王者之钺，右握王者之旄。厉声说道：“暴君纣王败坏朝政，耽于淫乐，杀害忠臣，荼毒百姓，法纪败坏，祭祀不修，宗亲不用，收容各方逃奴，任用四方罪臣，严刑酷法，殷民怨恨，天帝震怒！今日之战，便是我姬周奉天帝之命，伐暴虐之殷”，周武王的声音回荡在牧野上空。这就是著名的史称“牧誓”，周武王开创了战前誓师的先例。
征战开始，纣王指挥着商军凭借着人多势众，欲先声夺人。周师以属国巴人为前锋，首先迎敌。巴人大多面有刺青，衣饰古怪，狰狞可怖，即使在风雪之际，也是光头赤足，无帽无鞋。更令商军惊讶的是，巴人面对着来袭之敌，并没有组织防御，而是在周师阵前高歌起来，伴随着他们激越的歌声，巴人的鼓点与舞步急如骤雨。
巴人那令人热血沸腾的歌舞与鼓点，和武王的训词一样激励着将士奋勇杀敌。
两军正杀得昏天黑地，突然东侧的一支商军，阵前倒戈相向，那正是少师胶鬲的精锐部队，顿时商军整个东翼一片混乱。纣王急令精锐中军出动，才勉强填补上东翼倒戈造成的空隙，但整个部署已显乱象。战斗中周师占据了一片略高的缓坡，结成方阵，犹如一方巨石，抵挡住商军潮水般的冲击。边缘的士兵倒下，后面马上有人接替，方阵始终屹立不动，鲜血染红了积雪与枯草。
周军数十辆在朝阳下熠熠生辉的战车组成小小的一字阵形，快速逼近商军阵线。商军前排的弓弩手开始放箭，几匹战马悲嘶着倒在血泊中，几辆战车歪到了一边。但大部分的战车仍不为所动，如飞鹰扑击一般，冲向商军的旗帜之林中。商军弓弩手都是临时拉来的征夫，箭法本来不准，看到周军战车的疾速逼近，手都哆嗦了起来。片刻之后，就连周军胸口铠甲上的狰狞兽头都能够看见，商军更是斗志全无，不由自主地往后退缩。战车上的武士们开始放箭，战车本身在颠簸中前进，箭很难射准。但商军密密麻麻的人群使得瞄准都成为多余，每一箭下去就是一片惨叫哀嚎，魂飞魄散的商军士卒开始狼奔豕突，商军的阵线上出现了一个又一个的缺口。
周师最精锐的3000虎贲，开始一直没有动用，直到双方士卒都显疲态。武王见时机已到，将军旗交与姜尚，亲自率领3000精锐，如一柄尖刀，呼啸着刺入商军建制已乱的东翼。
这是武王训练了３年的一支奇兵，其中兵士，都是层层淘汰精选出来的，再加以严酷的训练，相对于普通士兵，无不以一当十。跟在虎贲军后面，负责扩大战果的是蛮勇的西戎兵，他们将虎贲精兵刺开的裂口越撕越宽，商军立时乱了阵脚。
武王率领虎贲精兵，杀向商军不过几个来回，商军就被分割成零碎几块，士兵已无斗志，仓皇奔逃，周师乘胜斩杀。原野上的血流渐渐汇成无数条血溪，有些地方跌落地上的断柄残木，竟然漂浮起来，后来史称，“牧野之战，血流漂杵”。
此时，吕尚率领突击队冲入了商军之中，溅起一片血光，但很快被商人的优势兵力包围。后方观战的武王不失时机，命令挥舞军旗，擂起战鼓，主力战车部队也开始了冲锋，像一片巨大的乌云一样从地平线上席卷而来。呐喊声响彻云霄。尚未卷入战斗的商军士兵们呆呆地站着，不知如何是好。前线被突破，联军的战车堪堪冲到面前，有几个机灵的回过神来，扭头就跑，旁边的人纷纷仿效。霎时间，出现了多米诺骨牌效应，十余万人如同潮水一般退去，身后是大举追击的联军车阵。
商军以优势兵力而迅速崩溃，根本原因当然在于士气低落。但直接的原因仍然是联军武器上的重大优势：三百多乘（一说四千乘，似乎过多）当时最先进的重武器——战车。而商军方面没有任何使用战车的记载。从商代的考古发掘来看，商朝的战车也不少，但当时多半都在东南战场上难以及时调回，只有少量华贵的“戎路车”供帝辛等高级统帅乘坐。主要的战斗力是步兵，牧野上没有防御工事，只能靠步兵的阵列组成人墙抵挡快马重车的冲击，其效果大概不会比今天用血肉之躯去挡坦克好多少。何况商军大都是临时拉来的奴隶和战俘，大都没有受过相应的军事训练，杂凑在一起，也不能有效配合。结果可想而知。
商纣的军队在周军凌厉攻势下一触即溃。那些被迫参战的奴隶、囚徒不愿为纣王卖命，反把武王看作救星，倒转矛头引导周军杀入朝歌。纣王见大势已去，登上鹿台，自焚身死。商朝由此灭亡。
周军取得牧野之战的彻底胜利决非偶然。首先是周文王、周武王长期正确运用“伐谋”、“伐交”策略的结果。它起到了争取人心，翦敌羽翼，麻痹对手，建立反商统一战线的积极效果。其次，是做到了正确选择决战的时机，即乘商师主力远征东夷未还，商王朝内部分崩离析之时，果断地统率诸侯联军实施战略奔袭，从而使敌人在战略、战术上均陷于劣势和被动，没有时间做有效的抵抗。再次，适时展开战前誓师，历数商纣罪状，宣布作战行动要领和战场纪律，鼓舞士气，瓦解敌人。最后，在牧野决战的作战指挥上，善于做到奇正并用，予敌以巧妙而猛烈的打击，使之顷刻彻底崩溃。
商纣王之所以迅速败亡，根本的原因自然是因为殷商统治集团政治腐朽，横行暴敛，严刑酷法，导致丧尽民心，众叛亲离。其次是对东方进行长期的掠夺战争，削弱了力量，且造成军事部署的失衡。三是殷商统治者对周人的战略意图缺乏警惕，放松戒备，自食恶果；四是作战指挥上消极被动，无所作为。加上军中那些临时仓促征发的奴隶阵上起义，反戈一击，其一败涂地也就不可避免了。