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。刘备越山越险，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，蜀汉战死投降数万人，《傅子》更是记载吴军消灭蜀汉军八万余，刘备仅以身免。（《傅子》记载应为夸张描述，因为《三国志》记载刘备率领的蜀汉军主力为四万）
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趁机浑水摸鱼、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，刘备恼羞于夷陵惨败，一病不起，亡故于白帝城。夷陵之战就这样结束了。
历史评价
在夷陵之战中，陆逊善于正确分析军情，大胆后退诱敌，集中兵力，后发制人，击其疲惫，巧用火攻，终于以五万吴军一举击败气势汹汹的蜀军，创造了由防御转入反攻的成功战例，体现了高超的指挥艺术和军事才能，表明他不愧为一位杰出的军事统帅。至于刘备的失败，也不是偶然的。他“以怒兴师”，恃强冒进，犯了兵家之大忌。在具体作战指导上，他又不察地利，将军队带入难以展开的二、三百公里的崎岖山道之中；同时在吴军的顽强抵御面前，又不知道及时改变作战部署，而采取了错误的无重点处处结营的办法，终于陷入被动，导致悲惨的失败，自食“覆军杀将”的恶果，令人不胜感慨。
历代评价
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。当魏文帝曹丕得知刘备连营七百里，就对群臣说：“备不晓兵，岂有七百里营可以拒敌者乎！‘苞原隰[xí]险阻而为军者为敌所禽’，此兵忌也。孙权上事今至矣。”
而对于陆逊的出色指挥，晋代史学家陈寿在《三国志·吴书·陆逊传》中的评语写到：“刘备天下称雄，一世所惮，陆逊春秋方壮，威名未着，摧而克之，罔不如志。予既奇逊之谋略，又叹权之识才，所以济大事也。”
晋代文学家陆机在《辨亡论》称赞陆逊说：“汉王亦冯帝王之号，率巴、汉之民，乘危骋变，结垒千里，志报关羽之败，图收湘西之地。而我陆公亦挫之西陵，覆师败绩，困而后济，绝命永安。续以灞须之寇，临川摧锐，蓬笼之战，孑轮不反。”
西秦高祖乞伏乾归曾对麾下诸将说：“昔曹孟德取袁本初于官渡，陆伯言摧刘玄德于白帝，皆以权略取之。”
明代小说家罗贯中对于夷陵之战，写诗歌三首称赞陆逊，一是：“坐帐谈兵按六韬，安排香饵钓鲸鳌。三分自是多英俊，又显江南陆逊高。”二是：“陆逊运良筹，能分吴国忧。挥毫关将堕，焚铠蜀王羞。功业昭千载，声名播九州。至今巫峡地，草木尚添愁。”三是：“持矛举火破连营，玄德穷奔白帝城。一旦威名惊蜀魏，吴王宁不敬书生。”
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