姚兴忌惮北魏军势浩大，也许是等待其他部队的到来，也许是姚兴担心北魏的西路军会危及关中，总之，姚兴的4万7千人马在蒲坂逗留了多日，五月，姚平进攻乾壁，六月，拓跋珪命令拓跋顺、长孙肥南下，七月，拓跋珪南下，八月，将姚平包围于柴壁，也直到此月，姚兴才北上援救姚平，这给了拓跋珪宝贵的时间，构筑对柴壁的包围圈。当对柴壁的包围圈已经巩固之后，拓跋珪听说姚兴即将到来的消息，放心大胆地率领三万步骑南下，欲采取围城打援之法，对姚兴这支援军打一个措手不及。八月二十八日，拓跋珪的这三万步骑渡过蒙坑，前突至蒙坑以南四十多里，当时，姚兴率军从清晨开始向北前进，尚未安营，突然就发现了魏军，秦军十分惊恐。拓跋珪命令拓跋顺率领精锐骑兵径直而上，冲击秦军，缴获秦军数百全副武装的战马，斩杀秦军一千多人，姚兴退军四十多里，拓跋珪这才回师，而柴壁城内的姚平也不敢趁虚突围，只是命人焚烧了几百步魏军的长墙而已。初战告捷以后，拓跋珪以柴壁为中心，部署部队占据各个险隘，南杜绝蒙坑的入口，东面防守新坂险隘，驻守天渡，屯兵贾山，把姚平柴壁军团的水路、陆路逃生的道路，全部堵死，也阻止姚兴秦军接近柴壁，与此同时，拓跋珪还下令沿汾河岸边山岗上设置几十里长的栅栏，护卫上山砍柴的士兵。九月，姚兴率军驻扎在汾河西岸，依托山谷构筑壁垒，他又率领数千士兵登上西岸眺望魏军的中军大营，并在汾河上游砍伐柏树，投入河中顺流而下，企图撞断魏军的浮桥，而魏军却站在浮桥、岸边用长钩将木头捞出，用作煮饭的木柴，姚兴劳而无功，只好返回堡垒。看到姚兴前来侦察，拓跋珪断定当夜秦军肯定会偷袭西岸长墙，于是，他下令立即加高城墙、加深壕沟，当夜，秦军果然发起对西岸长墙的进攻，可是，由于携带的梯子不够长，秦军士兵无法登上长墙，只得将梯子丢弃在壕沟内，撤军而还。姚兴又分出一部分军队，在汾河西岸临水扎营，一直逼近魏军长墙的水口，与汾河东岸的姚平军遥遥相望，拓跋珪就势将秦军的这支部队与姚兴大营分割开来，秦军内外被分割包围，士气低落。
就这样，两军僵持了一个多月，后秦姚兴没有丝毫打破僵局的办法，秦军既无法消灭汾河西岸的魏军，又难以从柴壁突围，而随着时间的推移，被围困在柴壁的4万秦军的处境却越来越困难，到了十月，坚守了两个月的姚平终于粮食吃完，弓箭射尽，一天夜里，姚平率军向西南方向突围，姚兴则整顿军队，在汾河西岸列阵，高举烽火，擂鼓呐喊，声援河东的姚平军。拓跋珪选拔精锐部队驻扎在汾河西岸，在南面的浮桥上驻扎了重兵，堵在水口之上。姚兴深夜听到柴壁的秦军有动静，希望姚平能够率部死战，杀出一条血路；而姚平军听到外围秦军的鼓声，也期望姚兴能够从外猛攻长墙，突进解救。本来姚平是要力战突围的，结果听到了姚兴的呐喊声和战鼓声，却让他误判姚兴正在外围进攻，于是，姚兴姚平内外两支秦军，都是呼叫呐喊，彼此响应，但却不敢进逼魏军的长墙。姚平眼看无法突破魏军的包围圈，无计可施，于是，他带着两个妾投水而死，秦军安远将军不蒙世、扬武将军雷重等四千多秦军将士，也都随着姚平跳入汾河之中，希望能够侥幸生还。拓跋珪命令善于游泳的，手持长钩，将未被淹死的全部从水中钩了上来，无一逃脱；其余柴壁中的三万秦军全部束手就擒，魏军活捉秦尚书右仆射狄伯支、越骑校尉唐小方、积弩将军姚梁国、建忠将军雷星、北中郎将康宦、姚兴侄儿姚伯禽以下四品将军以上的，就有四十多人，抓获以前的叛将王次多等人。
姚兴以及汾河西岸的全体秦军，都眼睁睁地看着自己的骨肉兄弟无路可逃，要么投水自杀，要么束手就擒，可是，西岸的秦军却无能为力！秦军全军悲痛欲绝，放声恸哭，声震山谷，上干云霄，数日不止。
姚兴亲眼领教了北魏的军事实力和拓跋珪高超的指挥艺术，他强忍悲痛，多次向魏军派出使者，请求两国实现和平，但拓跋珪予以拒绝，这是因为，柴壁之战以后，北魏群臣都劝拓跋珪趁机南下，进攻蒲坂，夺取进入关中的门户。可是，恰在这时，十月十三日，中书侍郎晁崇却对拓跋珪说：“月晕左角（角宿左星旁发生月晕），这预示着‘角虫将死’，即带角的动物将暴死，不利于进军。” 角宿只有左、右两星，左角属室女座ζ星，据今人推算，当时并无出现月晕左角这一天象的可能。据《开元占经》记载，“月晕左角”的占辞除“角虫将死”外，尚有“晕左角，左将军有殃”、“晕左角，大臣谋”等语，《晋书·艺术传附戴洋传》记载，在苏峻之乱前也曾发生了月晕左角的天象，戴洋当时对祖约引用的占辞则是有以下犯上的兵乱，而晁崇却只是引用“角虫将死”，这里面十分耐人寻味。拓跋珪到底是听从了晁崇的话，就此撤军了，还是听从群臣的话，继续领军南下了呢？
对于北魏军在柴壁之战以后的动向，《魏书·太祖本纪》、《资治通鉴》均称，在晁崇于十月十三日建议之后，拓跋珪就下令撤军了，但是，《资治通鉴》又说魏军还是进攻了蒲坂，《晋书·姚兴载记》也说魏军乘胜进攻蒲坂，《魏书·天象志》明确说：“十月戊申，月晕左角，……丙戌，车驾北引。”十月戊申日，就是十月十三日，而丙戌日则是十一月二十一日，两者相差整整38天。当时的真实情况应当是，在十月十三日晁崇以天象建议拓跋珪撤军后，拓跋珪并没有听从，这大约是因为拓跋珪对晁崇已经有所怀疑，并且牛死并不是特别大的灾害，于是，拓跋珪还是命令大军南下，进攻蒲坂。然而，在晋军蒲坂的路上，负责拉动拓跋珪乘坐的大车的数百头牛，一天之内都得病，死于路边！
拓跋珪没有过多在意，而是继续率领南下，驻守蒲坂的后秦晋公姚绪固守不战。魏军在蒲坂城下整整一个多月，毫无进展，到了十一月，一方面是因为拓跋珪担心柔然会趁虚南下，另一方面，则是由于魏军业已出师数月之久，到了休整的时候，于是，十一月二十一日，拓跋珪下令撤军北上。
在回军的路上，心细如发的拓跋珪突然想到，晁崇的家奴曾经告发晁崇兄弟与王次多暗中联络，招来秦军，又结合晁崇在秦军大败之后，借口天象有牛疫而企图阻止自己进军，而在进军的途中皇家驾车的大牛同日竟然一起死掉，牛死一事未必不是晁崇为了给自己圆谎，而人为下毒所致？于是，到了晋阳之后，拓跋珪即下令逮捕晁崇兄弟，将两人赐死。
柴壁之战，是北魏与后秦之间一次非常重要的战役，经过此战，北魏帝国成为北中国最为强大的国家，而后秦则由此步入衰落，姚兴本人经过此战以后，性情大变，他再也不是曾经的马上英雄，而成为了一名虔诚的佛教徒，师从鸠摩罗什。柴壁之战后秦之所以失败，大约有几点：一是国力不足，此时的北魏从国力上超过后秦；二是兵力分散，此战后秦的参战部队大都是关中部队，秦州军队没有参与，造成兵力不足，（这当然与拓跋珪提前派出拓跋遵西线部队牵制、镇守陇西的需要等诸多因素有关）而且，姚兴姚平共计8万7千军队，又一分为二，兵力再度分散；三是进攻目的不明确。从战役的发展前期来看，秦军是在得到魏军情报之后，对魏军乾壁实施的精确打击，而不是企图一举消灭北魏的倾国之战，这是因为，以姚平的区区4万人马，无论如何都是不可能实现灭国目标的。然而，如果将秦军北上的目的仅仅看作是焚毁乾壁的魏军粮草，迟滞敌人的将要展开的大规模进攻，那么，在完成上述任务以后，姚平应当果断撤离，可是，他却逗留在乾壁，结果被魏军缠住；四是战术运用不当。在得知魏军南下的时候，姚兴要么立即率军北上，与姚平合势；要么立即命令姚平不惜一切代价南下，然而，姚兴由于惧怕魏军，驻守蒲坂，迟迟不进，致使秦军最终惨败。