昌求胜心切，率领大军拼命追击，结果在富平县境内撞入了李自成的伏击圈内。官军没有防备，大军急急行军并未提防，结果突然伏兵四起。李闯骑兵突然杀出，冲乱了官军的队伍，随后十万步兵与官军混战在一起，很快就取得了优势。
官军队形被冲散，军官都找不到自己的队伍，只能各自结成小圈子拼命抵抗。反观农民军则是互相应援，以优势兵力将官军包围，再以骑兵冲乱官军步兵阵型，结果杀得对方毫无还手之力。
此役官军大败亏输，六万官军伤亡超过四万人，曹文诏和曹变蛟叔侄双双被刘宗敏和高一功斩杀，只有贺人龙保着杨嗣昌杀出重围败回了西安城，但他的两万精锐骑兵经过此役，只剩下了九千多人，再也没有了与李闯对抗的能力。
富平之战是陕西战局的转折点，农民军和官军的攻守易势，本来尚有进攻能力的官军只能保住各个府城，阻挡农民军的攻势，而农民军的活动范围却一下子大了起来。
这一败让杨嗣昌的计划全盘破灭，再也没有了成功的希望。羞愤之下的杨嗣昌感觉自己无颜再见崇祯皇帝，结果在西安城的帅府内自缢身亡。杨嗣昌一死，只能由官职最高的贺人龙统领部众，他一面向朝廷上奏情况，一面加强西安城的防守，提