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“盟津观兵”时，武王自导自演了不少好戏。他出兵时，将文王的灵位摆在中军的战车上，自称“太子发”，说是奉文王以伐，不敢自主。在到达盟津后，周军与诸侯进行了联合军事演习，其间祥瑞屡出，在渡黄河时，白鱼跃入武王舟中，据说象征商军落入武王之手，后来又有一道火焰化为赤鸟，飞到武王的营帐上鸣叫，又象征周德的昌盛。后来，不少诸侯都建议武王乘机一举灭商。武王却说：“你们不知道天命，现在还不到灭商的时候。”于是各诸侯班师回国。
武王何以不趁此时一举攻下朝歌？从史书中的蛛丝马迹推测，一方面，似乎武王掌握朝歌的重要情报，得知此时殷商尚有一定实力，不可轻伐；另一方面，威德素著的文王已死，嗣位的武王威信未立，其他诸侯未必听话，所以武王不敢改元，甚至连出兵都要奉文王的灵位为主，都是在打“文王牌”。这场会盟中周人大搞“祥瑞”，无非是为了确立武王“天命所归”的至高地位，这也需要时间才能巩固。从敌我双方来说，都还没有到正式交战的时机。不过，这个时机很快就会到来。一年后，商朝发生了激烈的内乱。帝辛杀了伯父比干，囚禁了另一个伯父箕子，另一些被牵连的贵族如微子等则审时度势，投奔了周国。武王无疑从来奔的殷商贵族那里得到了不少朝歌的机密情报。时机已经成熟，武王决定出兵伐商，同时通知去年在盟津的与盟诸侯一起出兵。
前1047年，文王受命十年年底，周师出兵前按惯例用甲骨占卜，本来只是走走仪式，不料结果居然大大不利，同时暴风骤雨忽然而至，更加动摇了周国君臣的信心。
正在大家面面相觑的时候，吕尚一把抓起龟甲兽骨扔在地上，大喝道：“枯骨朽龟，知道什么天命！”在吕尚的坚持下，武王恢复了信心，出兵仍然按原计划进行。
伐商的战略计划是：趁商朝主力军滞留东南之际，精锐部队以迅雷不及掩耳之势，深入王畿，击溃朝歌守军，一举攻陷商都，占领商朝的政治中心，瓦解商政权，让残余的商人及其附属方国的势力群龙无首，然后各个击破。《诗经·大明》中记述此事，称之为“燮伐（偷袭进攻）大商”，或“肆伐（快速进攻）大商”，和三千年后的“闪电战”颇有异曲同工之妙。
按照这一计划，文王受命十一年一月二十六日，武王亲率战车三百乘，虎贲（精锐武士）三千人，以及步兵数万人，出兵东征。周国无疑已经倾巢出动。
二月二十一日，周军渡过黄河到前年会盟的盟津与友军会师。第一批赶到的，有庸、蜀、羌、、微、卢、彭、濮八个方国，不少方国的国君亲自赶来，总兵力达到五万人左右。从盟津到朝歌，是商王经常巡猎的区域，道路状况良好，因而此后几天，联军能够以每天近三十公里的速度急行军，比平常的速度要快一倍。二十六日，联军赶到朝歌城外的牧野。这里是通向朝歌的要道，同时也是商朝戍卫部队的驻扎地。联军没有贸然进攻，而是停下来开始布阵。从关中出发到兵临朝歌，总共用了一个月的时间。就当时的条件而言，这一速度可说是惊人的。
人们或许会奇怪，为什么商朝没有“边防部队”前来阻拦，而让周军长驱直入到都城之下？其实上古国家由于人口稀少、技术低下，不可能沿边防守，也没有发达的情报系统，大都只能占领一些重要城市作为据点，周围有一些乡村，此外都是野兽出没的森林和荒野，在其中行军往往根本无人知晓。直到春秋时期，野地行军突袭别国腹地，甚至穿过几个国家远攻的战例也不胜枚举，更不用说殷周之际了。
二月二十六日夜，联军布阵未完就下了雨，后来冒雨完成了布阵。史称联军共有“六师”。军事史家推测，大概是三百乘战车，三千名虎贲为一个“装甲师”，为第一梯队。其余四万多人分为五个“师”，在后面组成方阵，为第二梯队。第二天拂晓，武王在众军面前进行誓师，即《牧誓》，在开头，我们已经听到了开场白。接着，武王慷慨激昂地说：“俗话说，母鸡司晨，是家中的不幸。现在纣王只听信妇人之言，连祖宗的祭祀也废弃了。他不任用自己的王族兄弟，却让逃亡的奴隶担任要职，让他们去危害贵族，扰乱商国。今天，我姬发是执行上天的惩罚！……战士们，努力呀！”
顿时，周军将士们士气大振，欢声雷动，响彻云霄。然而，此时天已经大亮了，远方前来阻截的商军阵形也渐渐显出轮廓。本来斗志昂扬的将士们不禁倒抽了一口冷气：商军黑压压地，几乎要一直排到天边，一面面旗帜像森林一样一望无际。虽然不知道对方确切有多少人，但是瞎子也看得出来，要远远多过己方。联军将士刚刚鼓起的勇气又快要低落了。
朝歌方面，第一批紧急军情前脚刚传到，联军自己后脚就跟着来了，着实被打了个措手不及。去年，帝辛已经听说了周人因未得天命而从盟津退兵的消息，这更增强了他对天命在己的信心。可是没有想到，对方竟然这么快就卷土重来，而且迅速兵临城下。站在帝辛的位置，目前可能的选择有三：一，坚守朝歌城，让敌军疲于坚城之下，等待四方勤王之师到来，内外夹击，发动反攻；二，弃城撤走，到东方去和自己的主力军会合，然后回师讨伐叛军；三，乘周军立足未稳，立即在城外进行战略决战，一举击溃来犯之敌。
第三种选择当然最为诱人，然而难度也最大。朝歌城内目前并没有足够的精兵可以破敌，而且也没有可用的战车，单靠步兵，很难和冲击力强大的战车阵相抗衡，更何况周军士气正锐。第一、二种选择虽然比较被动，但是却更具有可行性。然而自负的帝辛却决定采取第三种方案。后世的一些军事史家因而批评此举是以己之短，攻人之长，愚不可及。但是平心而论，帝辛的这一选择也有不得已之处：正如武王所指出的，目前商王朝统治集团内部离心离德，外部对东夷等部族的征服也并不稳定，如果朝歌的战事长期拖延下去，必然会导致其他严重的变乱，威胁自己的统治乃至生命。只有一举克敌，才有可能把自己的统治维持下去。以帝辛暴烈勇武的个性，恐怕是宁愿赌一把的。
何况，帝辛还有一张不小的底牌：朝歌城内有大量奴隶和战俘，把他们武装起来，许以利害，在数量上仍然可以对敌军占有绝对优势。这一点足以抵消周军素质和装备上的优势。于是，帝辛迅速武装了一批奴隶和战俘，亲率少量禁卫部队押送，奔赴前方战场。据《史记》，帝辛出动的总兵力有七十万人，无疑过于夸大，另一些文献记载是十七万，似较为合理。虽然牧野前线究竟有多少人仍然是一个谜，但商军数量上占压倒优势则无疑问。
《诗经·大明》称：“殷商之旅，其会如林。”商军的强大阵容，令联军出现了军心动摇。面对形势的微妙反转，武王高呼：“维予侯兴，上帝临女，无贰尔心（为我而前进，“上帝”正在看着你呢，千万不要改变心意）！”重新鼓舞了士气。武王还宣称，如果不努力向前，就要施加严厉的刑罚。恩威并施下，联军的战鼓震天般擂了起来，战斗开始了。
史籍对具体的战斗过程记载较简略。据《逸周书·克殷》，在这一役中，周军的战术是先由吕尚率数百名精兵上前挑战，震慑商军并冲乱其阵脚，然后武王亲率主力跟进冲杀，将对方的阵形彻底打乱，导致商军的崩溃。
吕尚被后世奉为权谋兵法之祖，传说著有《太公六韬》，这一战术或许就是他的手笔。《大明》中赞道“牧野洋洋（广阔），檀车煌煌（鲜明），驷马原（四匹战马）彭彭（强壮）。维师尚父（即吕尚），时维鹰扬。凉（辅佐）彼武王。”生动地描写出吕尚在战场上和武王相互配合，鹰扬飞击的精彩场面。史称吕尚其时已经是八十多岁的老翁了，从战场上的勇猛表现来看，真让人难以置信。
广阔平坦的牧野大地上，数十辆在朝阳下熠熠生辉的战车组成小小的一字阵形，快速逼近商军阵线。商军前排的弓弩手开始放箭，几匹战马悲嘶着倒在血泊中，几辆战车歪到了一边。但大部分的战车仍不为所动，如飞鹰扑击一般，冲向商军的旗帜之林中。商军弓弩手都是临时拉来的征夫，箭法本来不准，看到周军战车的疾速逼近，手都哆嗦了起来。片刻之后，就连周军胸口铠甲上的狰狞兽头都能够看见，商军更是斗志全无，不由自主地往后退缩。战车上的武士们开始放箭，战车本身在颠簸中前进，箭很难射准。但商军密密麻麻的人群使得瞄准都成为多余，每一箭下去就是一片惨叫哀嚎，魂飞魄散的商军士卒开始狼奔豕突，商军的阵线上出现了一个又一个的缺口。此时，吕尚率领突击队冲入了商军之中，溅起一片血光，但很快被商人的优势兵力包围。后方观战的武王不失时机，命令挥舞军旗，擂起战鼓，主力战车部队也开始了冲锋，像一片巨大的乌云一样从地平线上席卷而来。呐喊声响彻云霄。尚未卷入战斗的商军士兵们呆呆地站着，不知如何是好。前线被突破，联军的战车堪堪冲到面前，有几个机灵的回过神来，扭头就跑，旁边的人纷纷仿效。霎时间，出现了多米诺骨牌效应，十余万人如同潮水一般退去，身后是大举追击的联军车阵。
商军以优势兵力而迅速崩溃，根本原因当然在于士气低落。但直接的原因仍然是联军武器上的重大优势：三百多乘（一说四千乘，似乎过多）当时最先进的重武器—战车。而商军方面没有任何使用战车的记载。从商代的考古发掘来看，商朝的战车也不少，但当时多半都在东南战场上难以及时调回，只有少量华贵的“戎路车”供帝辛等高级统帅乘坐。主要的战斗力是步兵，牧野上没有防御工事，只能靠步兵的阵列组成人墙抵挡快马重车的冲击，其效果大概不会比今天用血肉之躯去挡坦克好多少。何况商军大都是临时拉来的奴隶和战俘，大都没有受过相应的军事训练，杂凑在一起，也不能有效配合。结果可想而知。
在近身格斗中，联军也占有很大的优势。考古发现，商人的甲胄是由一整块皮革制成，裹甲者转动困难；而周人的甲胄是由三部分钉成，彼此可以转动，要灵活方便一些。而且，很多商军的步兵还根本没有甲胄，只有任人宰割的份。更重要的是，周人使用了一种商人可能从来没有见过的轻兵器—剑。实际上，牧野之战是见于中国史籍的，剑的第一次用于战争。
剑出现于殷末周初，是从西亚通过游牧民族传入中国的。《克殷》载，在牧野之战取得胜利后，武王用“轻吕”击刺纣王的尸体，此“轻吕”古书释为“剑名”，实际上是突厥语kingrak的音译，“剑”本身就是这个词的另一种译法。这清楚地显示出剑的来源。周人出身戎狄，很容易掌握这种兵器，而文明程度较高的商人当时还没有接触到它。比起商人以刺为主的短戈，双面开刃的剑既可以砍刺也可以削劈，杀伤力要高得多，而且当时的剑都是短剑，用于近身格斗十分灵便。牧野之战中，剑发挥了相当大的作用，更使骁勇的周人如虎添翼。剑光纵横之下，缺乏甲胄护体的商军徒兵自然是血肉横飞。流淌的鲜血像小溪一样汇入昨夜的雨水形成的水洼中，牧野大地一片血红，连死者手中所执的棍棒也漂浮在血水上，交织成一幕可怖的景象。七百多年后的孟子，读到这一幕后忍不住惊呼道：“以至仁伐至不仁，而何其血之流杵也？”（其实，“血流漂杵”主要是地上积水的效果，孟子没考虑到）
史载，联军进攻后，商军前方的步兵倒戈，反而攻打自己后方的军队。此事被后代儒家传为美谈，认为是武王的仁义感化了这些敌军，让他们主动阵前起义。然而今天看来，武王恐怕并没有那么大的魅力。事实应当是，帝辛既然强迫这些奴隶和战俘上战场，自然会在后方以亲信部队押送，防范他们反叛或逃跑。这些少量忠心的禁卫军，也是帝辛手中最后的底牌。然而前方的徒众在周军的强大冲击下慌不择路地往回跑，遭到了后方精兵的阻拦。好汉不敌人多，在人潮的冲击下，这些武士也阵脚不稳。奴隶们为了逃命，加上被后面人潮推动，于是倒戈相向，乱打一气。再加上身后联军的战车、甲士、步兵一层层的进攻，帝辛的最后一道阵线也守不住了，不得不快马加鞭，逃离战场（这一情况和淝水之战时苻坚的溃败颇为相似，如果把精兵放在前面，战况可能就大不一样了）。太阳还没有升到天顶，主要的会战就已经结束，接下来，就只是周军的追亡逐北了。《大