于是，鲁庄公与曹刿同乘一辆战车，来到了长勺两军对峙之处。根据周朝的军礼规定，两军交战需先布阵，击鼓进军五十步后暂停，重整队形，直至两军正面接触，开始混战。
双方布阵完毕，鲁庄公见齐军发动攻势，意图下令鲁军立刻迎战。曹刿劝阻道：当前齐军士气正旺，不宜硬碰硬，应当坚守不出。鲁庄公遵从曹刿建议，命令鲁军坚守阵地，仅以弓箭手进行防守，保持阵型稳固。齐军虽攻势凌厉，但在鲁军弓箭的压制下，无法突破防线，只好暂时撤退。齐军调整片刻后，再度发起第二轮冲击。曹刿依旧坚持己见，劝庄公继续坚守，不予反击。齐军再度冲锋，仍未找到突破口，受鲁军弓箭压制被迫再次退回原阵地。齐军将领认为鲁军不敢应战，可能是惧怕齐军。于是，齐军迅速组织了更为猛烈的第三次进攻。连续两次进攻，齐军体力消耗极大，士气逐渐衰退。而鲁军仍然保持着严谨的阵型，斗志盎然。曹刿观察到战场形势的变化，判断出击的时机已然成熟，遂建议庄公下令反击。庄公亲自击鼓，下令出击。鲁军将士早已蓄势待发，闻令而动，奋勇向前，锐不可当。齐军猝不及防，抵挡不住鲁军的猛烈反击，纷纷溃退，败走战场。
在战场上，鲁军取得了决定性的胜利。庄公下令全军乘胜追击，但曹刿及时制止，他表示必须谨慎行事，不能盲目追击。随后，曹刿亲自登上战车，朝着齐军败退的方向眺望，又亲自走下战车勘查战场情况，确认无误后，才示意庄公下达追击的命令。在这股高涨的士气推动下，鲁军步步紧逼，最终将齐军驱逐出国境，并缴获了大量的武器装备和辎重，从而在长勺之战中取得辉煌胜利。
战役结束后，鲁庄公对曹刿的指挥艺术充满好奇，向他请教此战成败的关键所在。曹刿解释道：“作战依赖的是勇气，首次击鼓冲锋时，士兵们的勇气最为饱满，第二次时勇气已有所下降，等到第三次击鼓，士气就基本耗尽。敌人三次击鼓已是士气衰竭，而我军初次击鼓，正是士气旺盛之时，‘彼竭我盈’，自然能够取胜。关于为何没有立即追击，是因为齐国乃大国，兵力强大，我担心他们佯装败退，伺机设伏。当我登车看到他们旗帜散乱、兵器倒地，下车查看到战车留下的轨迹杂乱无章，我才确定他们确实是真败，这才同意追击。”鲁庄公听完曹刿的剖析，深感佩服，连连点头赞同。
齐鲁两国间的长勺之战，尽管规模不大，但在政略、战略和战术层面上展现了古代珍贵的军事辩证法思想，揭示了弱军对抗强军的基本规律。这场战役以其后发制人、敌疲再击的防御原则获得胜利，在中国古代战争史上留下了深刻的印记。
无论是鲁国干预齐国内政的战役，还是齐国侵犯鲁国的长勺之战，这两场发生于齐鲁之间的战争结局迥异，有力地证明了在古代以冷兵器为主的战争环境中，正义之战终究能够战胜非正义之战，正义之师终将赢得最后的胜利。