當天天色陰暗，下著毛毛細雨，東、西軍對峙差不多一個小時。直至霧氣消散，東軍前鋒福島正則的部隊向西軍宇喜多秀家部隊開火，掀起戰爭序幕。宇喜多秀家部隊作出還擊。同一時間，黑田長政、細川忠興的部隊向石田三成的部隊發起進攻，藤堂高虎率軍向大谷吉繼部隊展開猛攻。小西行長部隊也受到攻擊。不過，戰況似乎對西軍有利。
藤堂、福島在面對大谷、宇喜多夾擊之下，無法作出有效反攻，被迫後退。小西行長此時也慢慢站穩陣腳。黑田、細川雖在兵力上佔有優勢，卻始終攻不破石田三成的本陣。三成利用三門大炮還擊，更令他們一度陷入混亂。直至上午十一時為止，西軍表現英勇，全無潰敗的跡象。
轉捩點在十一時後，石田、小西、大谷、宇喜多點燃狼煙，通知所有西軍發動總攻，包圍家康的部隊。吉川廣家竟在山腳阻擋毛利秀元進軍，並搪塞催促進軍的使者。安國寺惠瓊、長宗我部盛親、長束正家等人的部隊在吉川廣家部隊的後方，無法行動，儼如被封鎖。島津義弘見眾人未有行動，繼續採取觀望態度，按兵不動。小早川秀秋見西軍勢盛，不敢輕舉妄動。三成等人以文書一再催促，全然無效。
據江戶時代史家的講法，德川家康命令鐵炮隊向小早川秀秋的陣地開火威嚇，迫得小早川秀秋叛變，命令全軍向大谷吉繼的陣地攻擊。可是，近年有學者指出，松尾山高三百米，加上激戰的聲音，秀秋不大可能認清向自己射擊的是家康的鐵炮隊。姑勿論如何，小早川秀秋叛變，令大谷吉繼需要分兵應付。赤座直保、小川祐忠、朽木元綱、脇坂安治等西軍將領 (全為東軍內應)，見秀秋背叛，竟率軍倒戈攻打大谷吉繼本陣。藤堂高虎亦向大谷發動進攻。大谷吉繼身陷重圍，終被擊敗，在戰場上切腹自盡。
下午一時，大谷吉繼兵敗的消息傳遍西軍，嚴重打擊西軍士氣。小西行長部隊旋即陷入混亂，宇喜多秀家聞訊更是情緒失控。石田三成領兵撤退，西軍敗象已呈。
島津義弘得知西軍大敗，決定率軍離開戰場，期間被東軍追擊，死傷慘重。至於毛利秀元等部隊，則安全撤離。
太田牛一在戰場上觀戰，他這樣描述：
敵我雙方互相衡突，鐵炮跟箭所發出的聲音，轟動了天空，地上震動起來，冒起了黑煙，日間就像暗夜一樣。敵我雙方短兵相接，拿起武器與敵人交戰。從前方的火焰中，看到了整個日本分開了為兩個勢力而戰，並數度在交手。
可見戰況激烈。
關原合戰後，石田三成、小西行長、安國寺惠瓊被押往六條河原斬首示眾。德川家康成為真正的霸主，豐臣政權岌岌可危。
