这时在柏乡的梁军虽是新年，过的比平常日子还惨，兵士无粮吃不饱饭，最缺的是饲养战马的草料。王景仁只好派出士兵出城到野外寻找枯黄的干草来饲养军马，周德威得知消息，立刻派出骑兵专门去抄掠和屠杀这些出城的梁兵。梁军损失了不少士兵后再也不敢出城，只好在城内拆民房，用屋顶上的旧茅草来喂军马。这些军马哪里受过这样的虐待，不久就大批死去。
经过无数次小规模战斗，梁军的锐气被消耗殆尽，周德威感觉与梁军决战的时机到了。晋军开始实行他们的第二步计划，那就是迫使梁军出营与晋军野战。正月初二，周德威带领副将史建瑭、李嗣源及三千骑兵到梁营门口挑战，对梁营射箭，百般辱骂梁军主将及他们的主子朱温。这次连一向稳重的王景仁都愤怒了，在韩勍和李思安的鼓动下，梁军军马全部出动来战晋军。周德威带领晋军骑兵且战且退，将梁兵引到高邑南面，这里李存璋已经带领晋军及镇、定军列好阵势只待梁军来攻。
周德威等人来到野河边退入晋军阵中，只见梁兵在王景仁、韩勍、李思安的指挥下即刻杀到。梁军左路是神威军，右路是拱宸军，中路是龙骧军，东西绵延数里，这些都是后梁的精锐部队。梁军先锋李思安拍马舞枪带领所部军兵冲在最前面，看到晋军据守野河上桥梁径直领兵来夺桥。
晋军方面首先与梁军战在一处的是镇州和定州的步兵，开战不久梁军就突破了镇、定军的防线。这时正在桥头观战的晋王李存勖开始派将，他把匡卫都指挥使李建及叫到跟前，对他说：“如果梁军杀过桥就不好控制他们了，你带兵去杀退梁兵。”李建及点齐二百骑兵立即大喊着冲向梁军，杀退了企图占领桥梁的敌军。李建及是许州人，本姓王，后跟随李罕之，成了李罕之的干儿子。
两军在野河边激战，晋王李存勖站在高岗上观战，只见梁兵步兵居多，在梁军将领的指挥下蜂拥的向野河桥边冲来，而晋军骑兵马队却向风一样在梁军步兵中冲过，立刻有不少梁军士兵倒在晋军士兵的铁蹄下。梁军没倒下的士兵在军官的指挥下继续往前冲，晋军马队则圈回战马再次冲击梁军，梁军士兵又有不少倒在战场上。在华北的大平原上晋军的骑兵快速勇猛的特点得到了最大的发挥，只不过梁军人数众多，一时胜败难分。观察了很久，李存勖对身旁将领说道：“梁军争相前进混乱喧闹，我军整齐严整有序，我军一定会取得胜利。”
战斗从辰时开始一直打了两个时辰，双方绞杀在一起仍是不分胜负。李存勖感觉决战的时候应该到了，于是对周德威说：“两军绞杀在一起，我们的兴亡在此一举，今天一定要决出胜负。我带人先冲上去，你带兵继后。”周德威一把抓住李存勖坐骑的辔头说道：“观察梁兵形势，我们可以不用力战打败敌军。梁军离开他们的大营三十里路，即使带有干粮也没有时间吃饭。日落之后他们必定饥渴难耐，再加上必须与我军交战，士卒劳累疲倦，一定产生退却之心，那时我们再出精锐骑兵，一定大胜。现在出击还不是时候。”
午时以后李存勖指挥又调动一批新的骑兵加入战斗，而把第一批人马召回野河之北休息，吃饭饮马。战斗继续进行，又过了两个时辰，梁军始终不能靠近野河桥边。当时，魏州、滑州的梁军是在东边列陈，宋州、汴州梁军在西边列陈，梁军士兵从早晨出兵打仗直到太阳将要下山一天没有吃东西，个个都疲惫不堪，丧失了斗志。梁军主帅王景仁知道再打下去后果不堪设想，于是命令队伍渐次撤出战斗。
周德威看出梁兵要退却了，在马上大呼：“梁兵逃跑了！”晋兵士气大振，各将领带队勇猛向梁军阵列冲去。梁军魏州和滑州的士兵抵挡不住先行退却了。李嗣源带领部下冲击西线宋州和汴州的梁军，晋军大喊：“你们东线已经溃逃，你们还要留下送死吗？”晋军的喊杀声引起梁军士兵的恐慌，他们开始扔下旗帜和武器拼命的逃跑。大溃败开始了，李存璋则大呼：“梁兵也是我们的兄弟，放下武器者不杀。”不少梁军士兵丢掉武器，脱去盔甲，举手投降了。但是镇州的军队由于恨梁军屠杀深州和冀州军民，照样看见梁兵就格杀勿论。这一仗后梁军队中的神捷、龙骧二军被歼灭殆尽，从野河边到柏乡一路之上伏尸遍地。王景仁、韩勍、李思安带领数十名亲兵逃走。晋军夜间到达柏乡，梁军已经逃走了，遗弃了大量粮食、武器和财物。这一仗一共斩首梁兵二万余人，李嗣源带兵追击直达邢州，河朔为之震动。
李嗣源追击梁朝败兵达到邢州郊外，驻守邢州的保仪节度使王檀慌忙布置兵力守城。可是李嗣源却接到晋王收兵的命令，于是带队返回，晋王兵马全部退回了赵州。王檀于是开城门收集从柏乡战场逃回的败兵，发放路费让他们返回本道。
占据深州和冀州的杜廷隐等听到了柏乡之败的消息，主动撤出了深、冀二州。撤出的时候将二州的青壮年人作为奴隶全部带走，活埋了那些老弱者，城中只留下断垣残壁。
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