得到楚成王的增援和开战许可后，子玉决心与晋军决一雌雄。
为找到决战的理由，子玉派出使者宛春与晋国协商，提出了所谓的“休战”条件：晋国若允许曹、卫复国，楚军则撤离宋国。这实际上是子玉精心策划的一石三鸟之计，设想晋若同意休战条件，则曹、卫、宋三国将感激楚国；若晋不同意，则三国将会怨恨晋国。无论结果如何，晋国试图在中原争霸、号令诸侯的努力都将付诸东流。
先轸看穿了子玉的意图，巧妙设计反击，秘密与曹、卫两国达成协议，以断绝与楚国的关系为条件，答应恢复两国独立，同时扣押了楚国使者宛春，激怒子玉以求决战。曹、卫两国背叛楚国而投靠晋国，使者又被晋国扣押，子玉的傲慢与自负被彻底激起，倚仗楚、陈、蔡三国联军的强大兵力，趾高气昂地率军直逼陶丘，一心寻求与晋军决战的机会。
当年晋文公流亡楚国时，曾许诺楚成王，若晋楚两国在中原相遇交战，晋军将主动退避三舍以报答楚国的恩情。现今，晋楚两军果然狭路相逢，晋文公坚守信义，下令晋军从曹都陶丘后撤三舍，在城濮（今山东范县南）安营扎寨。齐、秦、宋等国军队随后也相继抵达城濮，与晋军会合。晋军退避三舍，表面看来是对楚成王的感恩回报，实则是为了避开楚军锋芒，诱敌深入，同时集结齐、秦等盟军，择机后发制人，一举击败楚军。
晋军主动撤退，楚军内部出现疑虑，有人主张暂停追击，保持观望态势。然而，独断专行的子玉认定晋军是胆怯退缩，视此为追击晋军、夺回曹、卫的最佳时机，遂率军急切追赶，直至城濮。
公元前632年四月，晋楚两军在城濮展开了一场大规模的战车对决。子玉将楚军分为中、左、右三军：楚军精锐作为中军，由子玉亲自指挥；陈、蔡军归属右军，由楚将子西统率；郑、许军归属左军，由子上统率。
晋军同样部署为三军：先轸担任元帅，统领中军；狐毛领军上军，郤溱、狐偃为副将；栾枝领军下军，胥臣为副将。
晋军通过对楚军实力的分析，发现楚中军实力最强，左右两翼相对较弱，且子玉过于自信，对晋军实际情况了解不足，因此决定针对楚军弱点，首先攻击其左右两翼，然后再集中力量冲击中军。
晋军统帅先轸下令，首先击破楚军较为薄弱的右翼，即陈、蔡两国军队。晋国下军副将胥臣领命应战，陈、蔡军队战马众多，攻势凌厉。胥臣机智地令麾下战马披上虎皮冲向敌阵，陈、蔡军队误以为真有猛虎袭来，恐慌之下纷纷溃散，楚军右翼瞬间崩溃。
子玉、子上见右军溃败，怒不可遏，对晋中军和上军发起猛烈进攻。晋军采取诱敌深入、分而歼之的战术应对楚左军的猛攻，晋上军佯装败退，主将狐毛特意将主、副将的两面大旗置于战车之上，然后缓缓撤退；晋下军主将栾枝为了进一步迷惑楚军，让战车拖曳树枝，在后方扬起滚滚尘埃。楚将子玉未能识破晋军计谋，误以为晋右翼确实败退，贸然命令楚左军追击，导致侧翼暴露。晋先轸、郤溱指挥中军从中截击，晋上军主将狐毛、副将狐偃也在此时率部回头夹击。楚左翼陷入重重包围，无路可退，迅速被晋军击溃。
子玉目睹左、右两军均遭败绩，大局已去，只好下令中军停止进攻，迅速撤离战场，从而使中军免遭覆灭。楚军战败后退守至连谷（今河南西华境内），子玉因战败遭受楚成王严厉指责，悲愤不已，最终自杀身亡。
城濮之战以晋军取得决定性胜利而落幕，楚国北上的步伐被有效遏制，被迫退回桐柏山、大别山以南地区，中原局势趋于稳定。战后，晋军进驻郑国衡雍，并在衡雍附近为周王修建行宫，向周王献上俘虏。周王亲自驾临践土慰劳晋军，并册封晋文公为“侯伯”。晋文公随即在践土召开会盟，邀请齐、鲁、宋、卫等七国国君参会，共订尊崇周王的盟约，晋国从此确立了在中原的霸主地位。
城濮之战是晋、楚两国争夺中原霸权的首次战略性决战。尽管在这场战争中，齐、秦两国仅给予晋国口头支持并未实际参战，楚军在兵力上占有优势，但晋军开创了灵活运用战略战术的先例，凭借智慧与谋略克敌制胜，并在战役指挥上采取了扬长避短、后发制人的正确方针，最终大败楚军，奠定了雄踞中原的基础。
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