三国鼎立局面形成的关键战役是赤壁之战。
曹操基本统一北方后，作玄武池训练水兵，并对可能动乱的关中地区采取措施，随即于建安十三年七月出兵十多万南征荆州(约今湖北、湖南)，欲一统南北。时孙权已自江东统军攻克夏口(今武汉境)，打开了西入荆州的门户,正相机吞并荆、益州(治成都),再向北发展;而依附荆州牧刘表的刘备，“三顾茅庐”得诸葛亮为谋士，以其隆中对策，制定先占荆、益，联合孙权，进图中原的策略，并在樊城大练水陆军。
曹操采用侍中、尚书令荀?之计，领大军直出叶县、宛城(今河南南阳),另遣轻骑袭襄阳(今属湖北)。八月，刘表病亡，曹军放慢进军速度，施加军威，欲不战而得荆州。时孙权派鲁肃以吊丧为名,往观形势,拉拢刘备，团结刘表旧将，对付曹操。鲁肃在途中得知曹操进军荆州的消息，乃昼夜兼程赶向襄阳。刘表次子刘琮继任荆州牧,遣使投降曹操,迎接曹军。正加紧准备迎敌的刘备得知刘琮投降时，曹军已过宛城。
九月，曹操至新野(今属河南)接受刘琮投降后，逼向荆州腹地。刘备为避曹军锐气，与诸葛亮、徐庶等率十余万军民仓促南撤，退向战略要地江陵(今属湖北荆沙)，并令关羽领万余水兵顺汉水、溯江水会师。刘备至当阳长坂(今当阳境)，与鲁肃相见，接受其劝说,愿率军转东,向孙权靠近。时曹操已过襄阳，恐刘备先占江陵，亲率精骑5000，昼夜行300多里，追上刘备，将其击败，并获徐庶之母，迫徐庶来归。张飞率20骑断后,拆长坂桥,勒马横矛，令曹军疑惧，刘备方得脱险,东奔汉津(今钟祥境),恰遇关羽船队，刘表长子、江夏太守刘琦也领万余人接应。刘备军顺汉水至夏口，先遣诸葛亮至柴桑(今江西九江西南)见孙权，共谋抗曹，自率军屯樊口(今湖北鄂州境)。
孙权见刘备新败，又慑于号称80万的曹军声威，对联刘举棋不定。诸葛亮与鲁肃、周瑜等精辟分析形势,指出曹军不过20余万,且有后方不安、远道劳师、水土不服、短于水战等弱点，坚定了孙权抗曹决心。孙权不顾主降派张昭等反对,命周瑜、程普为左右督,鲁肃为赞军校尉，率3万精锐水兵，与刘备合军共约5万，溯江水而上，进驻夏口。
曹操乘胜取江陵后，又以刘表大将文聘为江夏太守，仍统本部兵，镇守汉川(今江汉平原)。益州牧刘璋也遣兵给曹操补军，开始向朝廷交纳贡赋。曹操更加骄傲轻敌，不听谋臣贾诩暂缓东下的劝告，送信恐吓孙权，声称要决战吴地。冬，亲统军顺长江水陆并进。
孙刘联军在夏口部署后，溯江迎击曹军，遇于赤壁。曹军步骑面对大江，失去威势，新改编及荆州新附水兵，战斗力差，又逢疾疫流行，以致初战失利，慌忙退向北岸，屯兵乌林(今湖北洪湖境)，与联军隔江对峙。
曹操下令将战船相连，减弱了风浪颠簸，利于北方籍兵士上船，欲加紧演练，待机攻战。周瑜鉴于敌众己寡，久持不利，决意寻机速战。部将黄盖针对曹军“连环船”的弱点，建议火攻，得到赞许。黄盖立即遣人送伪降书给曹操，随后带船数十艘出发，前面10艘满载浸油的干柴草，以布遮掩，插上与曹操约定的旗号，并系轻快小艇于船后，顺东南风驶向乌林。接近对岸时，戒备松懈的曹军皆争相观看黄盖来降。此时，黄盖下令点燃柴草，各自换乘小艇退走。火船乘风闯入曹军船阵，顿时一片火海，迅速延及岸边营屯。联军乘势攻击，曹军伤亡惨重。曹操深知已不能挽回败局，下令烧余船，引军退走。
联军水陆并进，追击曹军。曹操引军离开江岸，取捷径往江陵，经华容道(今潜江南)遇泥泞，垫草过骑，得以脱逃。曹操留曹仁守江陵，满宠屯当阳，自还北方。
周瑜等与曹仁隔江对峙，并遣甘宁攻夷陵(今宜昌境)。曹仁分兵围甘宁。周瑜率军往救,大破曹军，后还军渡江屯北岸，继续与曹仁对峙。刘备自江陵回师夏口后，溯汉水欲迂回曹仁后方。曹仁自知再难相持，次年被迫撤退。
赤壁大战后，刘备乘胜取得武陵、长沙、桂阳、零陵等四郡，次年又任荆州牧，奠定了壮大发展、进据益州的基础。曹操吸取失败教训，大兴水军，进控江淮，与孙权对峙。孙权为抗曹，继续与刘备联盟，任其在荆州发展。
赤壁之战之后，曹魏损失过大，一时无力南顾，给南方孙刘的发展创造了绝佳的机会。刘备巩固了自己对于荆州的占领，又利用这一段南北相对平静的时期攻占了长沙、零陵等四郡，自己的实力大为增强，这为以后攻占西川奠定了基础。北方对东吴的压力一下减轻了下来，东吴的疆域也稳定下来，经过赤壁之战，使曹、刘、孙的实力更加接进，所以说这使天下三分的局势初步形成。