宇文泰不解，问他何故发笑。宇文深答道：“高欢在河北，深得人心；他若是老实待着，消灭他并不容易。如今孤军渡河，深入我们的地盘，他的士兵恐怕也有所不愿吧。究其原因，高欢是要报窦泰被杀之仇，刚愎自用，含愤前来，这叫‘忿兵’，一战可擒。道理再明白不过，为何不道贺呢？”
宇文泰大喜，下令各军整装迎敌。第二天清晨，高欢探知西魏军的位置，大军从许原浩浩荡荡开来。李弼向宇文泰献计：“敌众我寡，不可平地列阵。沙苑以东十里有一处渭水拐弯处，俗称渭曲，三面环水，芦苇丛生，我军可先埋伏在那里，以待高欢。”
宇文泰依计而行，移军渭曲（所以此战也叫渭曲之战），并分出东、西两翼，李弼指挥西翼方阵，赵贵指挥东翼方阵，背水伏下口袋阵，相约以鼓声为号令。
傍晚时分，东魏大军来到渭曲。都督斛律羌举说：“芦苇丛深泥泞，不利于我军作战，不如远远相持，分拨精锐骑兵偷袭长安，端掉宇文黑獭的老巢，叫他不战而败。”
斛律羌举的主意很毒，然而高欢一心报仇，并未发表意见。他望着芦苇丛若有所思：“放把火烧死敌军，怎么样？”
侯景不同意：“应当生擒宇文黑獭以告天下，一把火烧了，无法分辨尸体，谁会相信！”（还没打就想着认尸的事了，东魏军中一片乐观情绪）
镇兵出身的都督彭乐盛气凌人，请缨决战道：“我众敌寡，一百个抓他一个，还怕打不赢？！”
高欢深受鼓动，便以全军猛攻渭曲，孰料一头就撞进了西魏的口袋阵。渭曲的东、西、南三个方向都是伏兵，北面的入口又被东魏军前呼后拥的大队人马阻塞，士兵们有进无退，动弹不得。茂密的芦苇做了西魏士兵最好的掩体，东魏士兵看不清敌人的数量，一个个排队上门送死。
时机成熟，宇文泰亲自擂起战鼓。西魏士兵挥舞兵器，喊声震天，于谨等各军从正面扑了上来。西翼的李弼身先士卒，率领麾下六十多人的铁骑，横向冲入东魏阵中，把高欢大军截为数段。李弼的弟弟李檦身材瘦小，却异常勇猛，骑在马背上犹如隐身人一般，斩杀敌人不费吹灰之力。东魏士兵惊恐万分，远远见了他便大呼“快躲！”乱成一团。
两军杀得天昏地暗，直至深夜还未罢休。东魏阵中的彭乐被刺破肚腹，肠子外流，他把肠子塞入腹内，回身续战。西魏那边的将军耿令贵杀得遍体通红，全是敌兵的鲜血，宇文泰也不禁欷歔。
东魏士兵越战越少，高欢想要收兵再战，却完全指挥不了混乱的兵势，各营军士死散一空。高欢惆怅半晌，还是不愿退兵（十几万大军就这么毁在沙苑……）。大将斛律金劝道：“如今兵心离散，不能再打了，赶快回河东吧！”连喊了几声，高欢仍在马上发呆不语，斛律金挥鞭打马，才强行拖走了高欢。黄河岸边无船可渡，部将为高欢找了一匹高大的骆驼，涉到河中，才有渡船靠近，狼狈逃往东岸。弘农方面的高敖曹听说高欢大败，也退回了洛阳。
宇文泰追到河边，见高欢远去，便停止追击。他从东魏俘虏中留下两万多士兵，其余全部释放（僧多粥少，困难时期侥幸取胜，宇文泰已经相当满足，多余的士兵只能放回去便宜高欢了）。西魏军回到渭水南岸，几天前所征的各州军队正好赶来集合，宇文泰让士兵到战场上每人种一棵柳树，以纪念这场来之不易的胜利。
沙苑之战，西魏军以一敌十，歼灭和收编东魏军八万以上，所获粮草器仗不计其数。弱小的西魏政权得以巩固，宇文泰受封柱国大将军，十二员大将加官晋爵。高欢在小他十一岁的宇文泰面前，大栽了跟斗，此后再也没能踏足关中。
