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宇文泰取弘农后，崤函山区与河东等战略要地相继沦陷，使东魏受到了沉重打击，这是高欢无法接受的，因此他迅速地予以回应，亲自率领大军进行反攻。弘农在八月失陷，当年闰九月，“东魏丞相欢将兵二十万自壶口趣蒲津，使高敖曹将兵三万出河南”
。当时，宇文泰在弘农的将士不满万人，见高欢势众，便率兵入关，仅留下少数守军，随即被东魏高昂（敖曹）的部队包围。
高欢大军西渡黄河之前，属下丞相右长史薛琡劝他采取缓兵之计，等待关中的饥荒进一步恶化，迫使宇文泰等投降，而不要贸然进军。薛琡说：
西贼连年饥馑，无可食啗，故冒死来入陕州，欲取仓粟。今高司徒已围陕城，粟不得出。但置兵诸道，勿与野战，比及来年麦秋，人民尽应饿死，宝炬、黑獭自然归降。愿王无渡河也。
大将侯景也劝高欢切勿投入全部主力，可以采取分兵进攻的策略，以相互支援，确保胜利。他说：“今者之举，兵众极大，万一不捷，卒难收敛。不如分为二军，相继而进，前军若胜，后军合力；前军若败，后军承之。”
但是高欢自恃兵力强大，过于轻敌，想借西魏灾乱匮乏之际而一举获得成功，便拒绝了两人的建议，决定全力渡河西征。
高欢率军在蒲津渡河后，直逼咸阳、长安的北边门户华州。宇文泰深知该地的重要，事先遣使告诫守将王罴加强防务。高欢兵临城下时，见守备甚严，便打消了攻城的念头，绕城而过，涉洛水后屯于许原之西。《周书》卷18《王罴传》曰：“太祖以华州冲要，遣使劳罴，令加守备。罴语使人曰：‘老罴当道卧，貆子安得过！’太祖闻而壮之。及齐神武至城下，谓罴曰：‘何不早降？’罴乃大呼曰：‘此城是王罴冢，生死在此，欲死者来！’齐神武遂不敢攻。”《周书》卷 2 《文帝纪下》载大统三年九月，“齐神武遂度河，逼华州。刺史王罴严守。知不可攻，乃涉洛，军于许原西”。
宇文泰到达渭南后，向诸州征兵，但都未及时赶到。他召集众将商议，说：“高欢越山度河，远来至此，天亡之时也。吾欲击之何如？”
认为当前正是歼灭强敌的大好时机。但是诸将都觉得众寡不敌，请求等待高欢西进深入，根据形势变化再作决定。宇文泰反对说：“欢若得至咸阳，人情转骚扰。今及其新至，便可击之。”
便下令在渭水上建造浮桥，命军士带三日粮，以轻骑北渡渭水，辎重从渭南沿河向西撤退。
十月壬辰，宇文泰兵至沙苑（今陕西大荔南，洛、渭二水之间），距离东魏大军六十余里。由于兵力相差悬殊，诸将皆惧，宇文深独来祝贺。宇文泰问其原因，他回答说：“高欢之抚河北，甚得众心，虽乏智谋，人皆用命，以此自守，未易可图。今悬师度河，非众所欲，唯欢耻失窦氏，愎谏而来。所谓忿兵，一战可以擒也。此事昭然可见，不贺何为。请假深一节，发王罴之兵，邀其走路，使无遗类矣。”
宇文泰深以为然，遂决定在此地与敌人交战。并派遣达奚武赴敌营侦察。“武从三骑，皆衣敌人衣服。至日暮，去营百步，下马潜听，得其军号。因上马历营，若警夜者，有不如法者，往往挞之。具知敌之情状，以告太祖。太祖深嘉焉。”
于是掌握了东魏军队的详细情况。
高欢得知西魏主力来临，便发兵前来会战。宇文泰闻讯后召集诸将谋议，李弼建议说：“彼众我寡，不可平地置阵。此东十里有渭曲，可先据以待之。”
宇文泰接受后，“遂进军至渭曲，背水东西为阵。李弼为右拒，赵贵为左拒。命将士皆偃戈于葭芦中，闻鼓声而起”
。申时，东魏军队赶到，都督斛律羌举见渭曲地形复杂，主张不与敌军交锋，派遣奇兵直趋长安。他对高欢说：
黑獭举国而来，欲一死决，譬如猘狗，或能噬人；且渭曲苇深土泞，无所用力，不如缓与相持，密分精锐径掩长安，巢穴既倾，则黑獭不战成擒矣。
高欢不从，说：“纵火焚之，何如？”侯景反对说：“当生擒黑獭以示百姓，若众中烧死，谁复信之！”将军彭乐气盛求战，称：“我众贼寡，百人擒一，何忧不克！”
得到了高欢的赞许，遂下令进兵。东魏军队望见西魏兵少，“争进击之，无复行列”
。宇文泰乘机奋力击鼓，伏兵齐出，“于谨等六军与之合战，李弼等率铁骑横击之，绝其军为二队，大破之”
。取得了沙苑之战的胜利。
西魏在这场战役里战果辉煌，“斩六千余级，临阵降者二万余人。齐神武夜遁，追至河上，复大克获。前后虏其卒七万。留其甲士二万，余悉纵归。收其辎重兵甲，献俘长安”
。都督李穆建议：“高欢破胆矣，速追之，可获。”宇文泰不听，还军渭南，此时诸州援兵纷纷赶到，宇文泰下令于沙苑战场每人植柳一棵，以纪念这次胜利，并表彰将士们的武功。由于沙苑之战关系到西魏政权的生死存亡，将士凯旋还朝后，受到朝廷的重赏，宇文泰被封为柱国大将军，李弼等十二员大将也都加官进爵，增封食邑。
高欢战败后，乘夜骑骆驼上船逃往黄河东岸，仅以身免。大将侯景请战曰：“黑獭新胜而骄，必不为备，愿得精骑二万，径往取之。”
这本来是条歼敌良策，但是高欢征求其妻娄妃的意见，娄妃却反对说：“设如其言，景岂有还理！得黑獭而失景，何利之有！”
高欢于是废置了这项建议，使东魏失掉最后反败为胜的机会。