回到大营后，周德威对晋王李存勖说道：“敌人声势浩大，应按兵不动，等其士气稍稍低落之后，我们再发起进攻。”李存勖不以为然，反驳道：“我孤军远来，救人危难，我们三镇之军不过是乌合之众，利于速战速决，你竟然要按兵不动，不敢冒险，这是为何？”周德威说道：“镇州和定州的军队，擅长守城，不善于野外作战，另外，我军依靠的就是我们的骑兵，也利于在旷野上驰骋冲杀。如今，我们逼近敌人的营垒作战，丧失了骑兵的优势，还有，众寡不敌，一旦敌人知道我们的虚实，情况就危险了。”李存勖听了，一脸不悦，回到帐中休息，其余众将为人敢言。

周德威见状，赶忙去见张承业，说道：“大王继位以来，突然取得了夹寨大胜，顿生轻敌之心，不自量力而一心速战速决。如今，我们距离敌人近在咫尺，唯一阻隔的不过是一条小河而已，敌人如果架设浮桥，逼近我们，我军很快就会被全歼。不如撤至高邑（今河北省高邑县），引诱敌人离开营垒，敌人出战，我们就撤回，敌人回营，我们就出战，另外以轻装骑兵劫掠其粮运，不出一个月，一定能击败敌人。”张承业进入大帐之内，掀起床帘，拍拍李存勖说：“现在岂是大王安心睡觉之时？周德威是员老家，深通兵法，他的话不可不重视啊。”李存勖一跳而起，说道：“我也正在考虑。”当时，后梁军队紧闭大营，做出一副不敢出战的样子。一名投降晋军的梁军士兵，在晋军的盘问之下，降兵透漏：“王景仁正组织人力加紧架设浮桥。”李存勖这才对周德威说道：“果然不出你的所料。”当天，他传令各部北撤，退守高邑。

开平五年（公元911年）一月一日，天空出现日食。近年来，柏乡城内不再囤积粮草，后梁军队进驻以后，只好派兵到郊外砍柴、割草，晋军天天派出骑兵劫掠、骚扰，后梁军队遂不敢再外出了。周德威派遣胡人骑兵围着后梁大营来回射箭、辱骂，后梁军队担心晋军有伏兵，更不敢出外，只好拆除茅屋上的茅草或者碾碎坐席喂马，军中马匹大量饿死。一月二日，周德威与别将史建瑭、李嗣源率领三千精锐骑兵，在村落之间埋伏，派遣三百骑兵逼近梁军大营辱骂，王景仁、韩勍大怒，出动全部军队，意欲与晋军决一死战。周德威等人边打边撤，一直转战至高邑以南，晋军李存璋早已率领步兵在野河上布下阵势。

气势汹汹的梁军绵延数里，争先恐后地争夺浮桥，镇州和定州的步兵拼尽全力抵御，但眼看已无法坚持下去了。就在这千钧一发之际，晋王李存勖对李罕之养子、匡卫都指挥使李建及说道：“敌人一旦突破浮桥，就无法遏制了。”李建及挑选两百名精锐士兵，手持长枪，齐声高呼，奋力杀入敌阵，这才将后梁军击退。晋王李存勖登上高坡眺望，对众将说道：“梁军竞相前进，混乱不堪，我军队伍齐整，安安静静，我军必胜！”遂指挥军队向梁军发起进攻。两军顿时混战一团，杀得天昏地暗，从上午十点一直打到十二点，不分胜负。

晋王李存勖对周德威说道：“敌我双方已经搅在一起，无法分开了，我们的存亡，在此一举。我为你冲在前面，你紧随我后！”周德威拦住李存勖的战马，苦苦相劝道：“我看梁军的情况，我们可以以逸待劳，难以硬拼。他们距离大营三十里，虽然带着口粮，根本没功夫吃上一口，等到太阳偏西，饥渴难耐，必定心生退意，到那时，我们再率领精锐骑兵冲杀，一定能大获全胜。”晋王听了，这才作罢。

当时，后梁魏博（治所魏州）、宣义（治所滑州）的军队在大阵的东面，宋州（治所宋州）、汴州（治所汴州）的军队在大阵的西面。激战到黄昏，梁军还没有进食，士兵们再无斗志，王景仁等人领兵稍稍后退。周德威见状，大喊道：“梁军撤退了！”晋军顿时士气高涨，争先恐后地杀入敌阵，喊杀声惊天动地，后梁大阵东面首先被突破，魏博、宣义军队先撤。在西面作战的李嗣源也率众大喊：“你们东面的已经撤了，你们还留在这里干什么！”后梁士兵顿时惊慌失措，相互惊吓，遂全线崩溃。李存璋趁机率领晋军步兵从后面追杀，高喊：“梁人也是我们自己人，你们只要放下武器，我们就不杀害你们！”于是，后梁士兵纷纷丢下铠甲武器，喧哗之声响彻云霄。而镇州和定州的军队因后梁夺占深州、冀州之恨，也顾不上捡拾战利品，只顾操刀追杀，后梁龙骧、神捷、神威各军的精锐部队几乎被屠杀殆尽，从野河一直到柏乡数十里之间，尸体、旗鼓、铠甲、兵器布满地面。王景仁、韩勍、李思安等后梁大将仅率领数十名骑兵仓皇逃离了战场。

入夜，晋军进入柏乡，后梁残余军队已经撤离，丢弃的粮食、钱财、武器不计其数。此战，三镇联军共斩首两万级，缴获战马三千匹，铠甲武器七万，其他物资不计其数，生擒梁将陈思权以下二百八十五人。李嗣源等人领兵一直追杀到邢州才回，河北一带都大为震动。后梁保义（治所邢州）节度使王檀严加戒备，打开城门接纳残兵败将，送给他们钱粮，遣散回各自的军镇。晋王李存勖休兵，驻扎在赵州。杜廷隐等人听说后梁柏乡惨败的消息后，放弃深州、冀州南逃，把两州的壮丁充当奴仆裹挟南下，把老弱之人活埋，又几乎彻底摧毁了城池，城内仅余残垣断壁而已。