再经过详细打探，段颎得知：这射虎谷大小、深浅，与昔日讨伐西羌时中伏的那一山谷类似。所不同的是，此山谷为南—北走向，东、西两侧有山，山谷之间，有一尺余深的浅溪流过，将此谷一切为二。段颎问得明白，谢过山民，便将手中军士拆作三部。一部，仍交由夏育、田晏二人统领，士兵为七千人，攀上西山，潜伏于山顶；一部，交由部将张恺统领，士兵为三千人，攀上东山，亦潜伏于山顶；段颎自领剩余兵马五千人，多是骑兵，往射虎谷南端谷口而去。

到谷口外时，东羌各部士气已尽，只图固守，早选用千余勇士塞住进出要道，端的是滴水不漏。段颎见状，也挑选出擅射者千余人，在谷外以环形东西铺开，下令众弓弩手道：“但凡出得此谷者，莫问其求战、求降，一律射杀之！”以堵东羌南逃之路。有弓弩手心存疑虑，说段颎道：“往日将军与羌人战，必用步、弓、骑三者配合，羌人甚畏之。今单凭弓弩之威，只恐羌人用骑兵在前，竭力冲锋时，未必拦截得住。”段颎笑而解释道：“此事我自然知晓——今用你等遮住谷口，不过是权宜之计罢了。趁着羌人尚未发觉我本意，刚好行得大事！”

才过一日，原本宁静的射虎谷以南，突然响声不绝，大地震动。原来，段颎自料骑兵有限，又想在此役中赶尽杀绝，只得除去东、西两侧山头设伏的步兵之外，另选择一处合适的骑兵突破口。经山民口中得知，那射虎谷仅得南、北两个入口，南窄而北宽，相较而言，从北端入口进兵更适合发挥骑兵的威力。于是，他故弄玄虚，先令一军持弓弩在谷口处牵制羌人，自己则率剩余人马更往南十数里，伐树断木，大肆修筑起木栅来。

在段颎的亲自指导下，一条长四十余里，宽二十步的巨型木栅很快被打造得成，将羌人南逃的路线彻底塞断。段颎乘马东西往返看过，唯恐这等防线犹拦不住羌人，又特令军士在木栅之前掘下壕沟，深达四尺，宽十余步。一切布置妥后，他传令那一千弓弩立即后撤，退至木栅以南；自己则率其余将士迂回至山谷北端，并通知夏育、田晏、张恺等人，按此前所授之计，开战！

夏育、田晏得令，就在当夜，人人衔枚，悄无声息的从西山潜下谷来。到羌人营地一里外时，已隐约见着火光，二人传令军士停步，就地挖掘壕沟，设置鹿角，以防羌人发觉，动用骑兵前来冲击。挖了一夜，到天色微亮时，一条简易防线基本成型，羌人那边也终于发觉汉军动静，用仅存的数千骑兵作前队，其余子民持矛跟随，向夏育、田晏所部发起猛烈地进攻。二军在谷中恶战，但因汉军事先掘成壕沟，设成鹿角，羌军虽勇，纵马不得一跃而过，一时难分胜负。

山谷以东，驻军于东山的张恺对谷中战况一览无余，见羌人悉数攻往西侧去了，心下暗暗佩服段颎妙计的同时，也率军从山头冲杀下来，人人手持特制长矛，就在东山脚下布阵。羌军绰不及防，当即分兵半数，又去抵挡张恺。二部汉军东西进击，羌人左遮右挡，气焰渐衰，只得回缩至山谷中央的溪水之中，聚作一团应战。又因那溪流深及士兵下身，骑兵乘于马上，犹可奋力拼杀；步兵浸泡于水中，转身尚且不便，如何全力以赴？正当众羌军见势不妙，暗自焦急时，山谷以北马蹄声大起，却是段颎亲率数千骑兵，斩杀谷口羌人守卫，涉水强行，又笔直杀将过来！

当下，汉军从东、西、北三个方向强行将东羌各部向南驱赶，羌军无任何反抗余地，只得争先恐后向南逃奔。好不容易逃出谷外十余里时，东羌将士约二万人，在一片惊呼声中，不约而同地停住脚步。——因为那条花费汉军数千人力，大半月时间修成的巨型木栅，此刻已出现在他们眼前。木栅之前，更有壕沟；木栅之后，又有弓弩守卫。……再看他们身后的段颎，这时已将长矛步兵、弓弩手、骑兵，按序布置停当……

伴随着一场惨绝人寰大屠杀，射虎谷之战结束。东羌各部，含先零羌首领在内，战死者一万九千余人，几乎全军覆没。而汉军这边，因破羌之阵再奏奇效，又是四面合击，伤亡者仅得百余人。就在此战结束后不久，奉诏前来招抚“叛羌”，自以为大功告成，却骇然听闻段颎抗旨进兵的朝廷使者冯禅终于姗姗赶到，他也为这恐怖的一幕震惊了。更让他震惊的是，那位“杀神将军”对此仍不满足，拭净屠刀之后，又要往他处寻东羌厮杀。在冯禅全力以赴的挽救之下，整个东羌族群，但凡曾参与汉羌之战者，最终存活者只得四千人；其余羌人，非是老幼，即是妇孺，壮年者几乎被血洗一空。冯禅埋怨段颎过后，小心将这批羌人安置安定、天水、陇西三郡之内，分赐良田、牲口，使之得以存活。又强请段颎动身，立即随他回洛阳复命。