Trận Xích Bích có thể chia làm ba giai đoạn: Giai đoạn đụng độ ban đầu tại Xích Bích dẫn đến sự rút lui của quân Tào về chiến trường Ô Lâm trên bờ Tây Bắc của Trường Giang; giai đoạn thủy chiến mang tính quyết định; giai đoạn tháo chạy của Tào Tháo về hướng Hoa Dung (nằm xa về phía Bắc so với địa danh Hoa Dung hiện tại).

Trong giai đoạn đầu, thủy quân Tôn-Lưu ngược dòng Trường Giang từ Hán Khẩu-Phàn Khẩu tới Xích Bích, tại đây họ chạm trán với tiền quân của Tào Tháo. Vốn bị hành hạ bởi bệnh dịch và sự suy giảm về tinh thần cũng như sức chiến đấu do cuộc hành quân kéo dài từ Bắc xuống Nam[2], quân Tào không thể giành được lợi thế trong những trận giao tranh nhỏ ban đầu và buộc phải lui về đóng quân ở Ô Lâm (phía Bắc của Trường Giang).

Để giảm sự tròng trành của thuyền chiến (làm quân Tào vốn không quen với thủy chiến thường xuyên rơi vào trạng thái say sóng), Tào Tháo ra lệnh dùng xích sắt nối nhiều thuyền lại với nhau. Cũng có thuyết cho rằng quyết định này của Tào Tháo xuất phát từ lời khuyên của một gián điệp thuộc phe Tôn-Lưu[16] (chi tiết này được La Quán Trung đưa vào Tam quốc diễn nghĩa với Bàng Thống đóng vai trò gián điệp).

Quan sát động thái này của Tào, tướng Hoàng Cái bên phía Đông Ngô đã kiến nghị Chu Du dùng kế trá hàng và được Chu Du tán đồng. Việc gửi thư trá hàng của Hoàng Cái lập tức được Tào Tháo tin theo, không cần phải bày kế khổ nhục làm Hoàng Cái phải chịu đòn roi và cũng không cần người đưa thư Hám Trạch phải đấu trí với Tào Tháo đến mức như Tam Quốc Diễn Nghĩa mô tả[17]. Việc trá hàng thuận lợi, Hoàng Cái chuẩn bị một đội thuyền để bơi sang đánh úp vào thuỷ trại Tào.

Tới nay chưa rõ số lượng thuyền cụ thể trong đội quân của Hoàng Cái là bao nhiêu. Theo như "de Crespigny" ghi nhận thì Tam quốc chí đề cập tới "vài chục chiếc" còn Tư trị thông giám chỉ đề cập tới khoảng "mười chiến thuyền"[18]. Thuyền chiến mạnh được mô tả như những mông xung đấu hạm (蒙衝鬥艦). Trang bị của các chiến thuyền này vẫn còn là điều chưa rõ ràng, có thuyết cho rằng[19] đó là những thuyền chiến được bọc da, theo một thuyết khác[20] thì "mông xung" (蒙衝) có nghĩa là "được che đậy bảo vệ để xông thẳng vào tấn công hàng ngũ thuyền địch" còn "đấu hạm" (鬥艦) nghĩa là "có thể chở lính tham gia cận chiến". Các mông xung đấu hạm này được chất đầy vật liệu dễ cháy cùng mồi lửa để chuyển thành hỏa thuyền.

Khi đội "hàng binh" của Hoàng Cái đến giữa sông thì các hỏa thuyền bắt đầu được châm lửa và chúng theo gió Đông Nam lao thẳng vào hạm đội của Tào. Trong điều kiện gió lớn và bị xích vào nhau, các thuyền chiến của Tào Tháo nhanh chóng bắt lửa khiến một số lớn binh mã chết cháy trên thuyền hoặc chết đuối dưới sông[21].

Trong lúc quân Tào đang hoảng hốt vì đám cháy thì liên quân Tôn-Lưu do Chu Du dẫn đầu đã chiếm lĩnh trận địa và chia cắt lực lượng của Tào Tháo, buộc ông ta phải ra lệnh rút lui sau khi phá hủy một phần số thuyền chiến còn lại[21]. Tào Tháo cùng bại binh rút lui về phía đường cái Hoa Dung xuyên qua vùng đầm lầy lớn phía Bắc hồ Động Đình. Trong điều kiện mưa nặng hạt khiến đường rút lui càng trở lên lầy lội, Tào Tháo phải ra lệnh cho binh lính, kể cả những người bị thương, vác theo các bó cỏ để lấp đường. Khó khăn cho quân Tào càng trầm trọng khi Chu Du và Lưu Bị không ngừng đuổi theo họ cho tới tận Nam Quận. Cuối cùng, thiệt hại nặng nề khiến Tào Tháo phải bỏ miền Nam rút về Nghiệp Quận, để lại Tào Hồng và Tào Nhân giữ Giang Lăng, Nhạc Tiến giữ Tương Dương và Mãn Sủng giữ Đương Dương[21].

Đáng ra liên quân Tôn-Lưu có thể tiêu diệt hoàn toàn bại quân của Tào Tháo nếu như họ không bị nghẽn lại tạo nên tình trạng hỗn loạn ở bờ Đông Trường Giang do thiếu thuyền vượt sông. Để giải quyết tình trạng lộn xộn, một đạo quân do Cam Ninh chỉ huy được lệnh thiết lập một đường sang sông khác trên phía Bắc ở Di Lăng, tuy nhiên đầu cầu này cũng không thể tiến xa do gặp phải đội quân tập hậu do Tào Nhân chỉ huy[22][23].