入夜时分，从周阳赶来的援军终于到达曲沃城以东。疲敝不堪的军队没有进城，而是钻进营地后侧的山林里，指挥官和士兵们同样吃了随身携带的干粮后，就在原地抱着武器睡觉。
曲沃城外一片灯火通阴，到处都是喧嚣之声，双方都在尽快建设自己的营地。晋军把那条壕沟加宽加长，南端延伸到山脚，北端则延伸到曲沃城下，这样就把敌军的退路切断了。
第二天黎阴时分，敌人望见那道宽而深的堑壕，终于感到了恐慌。他们发现晋人的意图并非自保，而是要把他们全都消灭在曲沃城下。事实上，经过两场战斗，决战还没有开始，敌军就已经损失了差不多一成兵力。
敌军将领迅速凑在一起研究对策，人们决定分两路进攻（逃跑）：一路从曲沃城南的山林里绕过堑壕，进攻被占大营的后方；第二路北渡涑水，沿河向上游行进，然后攻占周阳，再从那里南渡涑水。
作战计划确定之后，敌人首先向堑壕正面及曲沃的南门和西门发动佯攻，堑壕北端的敌人便趁乱潜入山林，西门附近的敌人则开始北渡涑水了。
潜入山林的敌人“顺利”地绕到敌营后方发起进攻，他们计划首先抢占营地，然后把堑壕对面的同伴放过来。守营的晋军显示出很匆忙吃力的样子，如此更激发出敌人的战斗情绪，于是大量的敌人又钻山林过来了。但是正当他们越聚越多时，隐藏在更深处的援军突然出现了，援军截断敌人的通路，与营内的晋军里外夹攻，很快就将敌人消灭了。
晋军随后冲出树林猛击敌人的右翼，此时敌军因为兵力分散，右翼马上就被突破了。敌人开始无序地逃跑，有些钻进山里，但大部分则被迫撤回军营，晋军最后把进攻堑壕的敌人包围在营地里。
进攻城门的敌人见势不妙也开始逃跑，晋军就从城门里冲出来猛冲猛打。敌人在涑水南岸构筑防线以掩护军队渡河。晋军并不强攻敌人的工事（因为晋军的主力并不在此，兵力不足），却绕到边上射击那些正在泅水的敌军，敌人在遭受了很大伤亡后终于逃到对岸去了。
退入营中被围困的敌人稍作抵抗便交出武器投降了。
沿涑水北岸撤退的敌人发现情况并不像他们想象的那么乐观，因为狐偃率领的晋戎骑兵一直在南岸与他们齐头并进，并不时地做出一些挑衅性的动作。敌人在快到达周阳时发现道路又被一道堑壕截断了，堑壕对面则是晋军的要塞。逃跑者无奈之下只得爬山而遁。
晋国在本次战事中取得了巨大的胜利，皋落氏和骊
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