虽然不少将领都强调楚军列阵厚重，良将众多，不易抵挡。但郤至却冷静分析了楚军自身的劣势，他指出，楚军的大将子反和子重关系不佳，兵员老旧战力不高，郑军和楚军都阵容不整，而且又在通常认为不吉的晦日用兵，因此必定大败亏输。而从楚国逃到晋国，深谙楚人用兵之道的苗贲皇则指出楚国的精锐主力在中军，因此可集中优势兵力先击破左、右两军，再合兵包围中军。在郤至、苗贲皇等人的力劝下，晋厉公终于决定与楚军正面交战。
晋国的战术安排果然取得了一定的成效，在晋国主力的猛攻下，楚军的左右两军抵挡不住。晋军一度逼近了楚国的中军，楚共王甚至被晋将魏锜一箭射中左眼，可谓狼狈已极。楚军虽然纷纷败退，但楚军的战斗力之高超，战意之顽强也超出了晋国的预料。楚国著名的神射手养由基在败军之中大显神威，先是一箭射死了魏锜，又率军抵挡住了晋军的追击，而另一员猛将叔山冉则以晋军士兵作为武器投向晋国战车，晋军动弹不得，被迫停止前进。
双方激战一天，到黄昏时分才告结束。虽然场面上是晋优楚劣，但楚军并未被击溃，而晋国获得的战果也极为有限，仅仅俘虏了楚国的公子茷。夜色降临，双方各自收兵回营，整顿兵士，救助伤员，补充粮草，修理武器，重摆阵势，打算次日再战。
这时候苗贲皇却想出了一条妙计，他命人暗中放松对楚国战俘的看管，让他们逃回楚营报告晋军的军备情况，动摇楚国的军心。果然，楚共王得到这样的消息，便连夜召开军事会议，可是掌管中军的子反居然喝得酩酊大醉，人事不省，不能前来。楚共王毕竟年纪不大，听说此事，哀叹一句：“天败楚也夫！余不可以待。”竟然就此命令撤退。第二天，全副武装的晋军发现楚军竟然连夜退走，于是攻占楚军营地，尽夺楚军粮秣，而此时晋国的援军才先后来到鄢陵。楚国方面，贻误战机的子反受到楚共王的责备和与其不和的子重的逼迫，无奈只得自尽谢罪。鄢陵之战就这样以晋国的胜利而告终。
楚国在鄢陵之战中的失败原因很多：首先自然是师出无名，在道义和舆论上处于不利地位；其次为了抢占有利战机，不顾军队的实际推进速度，强行进军并发起攻击，不但失之急躁，也造成军队的疲劳，导致战斗力的下降；再次，在战斗中，军事长官判断有误，指挥不灵，导致战术层面上的被动挨打，只是凭着单兵作战能力的突出才勉强维持局面；最后就是主帅不守军纪，贻误战机。
和楚国相比，晋国的取胜无疑得益于其正确的战略
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