沙苑战役之前，西魏的关中地区已经持续了一年多的大饥荒，甚至到了人吃人的地步，关中约有十分之七八的人死于这场大饥荒。为了缓解国内的饥荒，西魏宇文泰不得不率军东出潼关，去东魏的弘农一带抢夺的粮食，以此来弥补国内的粮食困境。在抢粮和护粮的过程中，双方爆发了小关之战，宇文泰获胜。
东魏丞相高欢乘西魏丞相宇文泰攻占弘农（今河南三门峡市）的时候，亲率20万大军进攻西魏，打算一雪潼关之败的耻辱。除此自己亲自率领的主力之外，高欢还令高敖曹率兵3万出河南攻打上洛（今陕西商县）。
高欢行军路线
东魏天平四年（537年）闰九月，高欢军自壶口（今山西吉县西）经蒲津（今陕西大荔东）渡黄河，过洛水，进屯许原（今陕西大荔南）西，兵锋直指长安。面对来势汹汹的西魏大军，正处于大饥荒的西魏，开始人心浮动。西魏的夏州刺史张琼、灵州刺史曹泥相继反叛，向高欢归顺投降。随着东魏军队高歌猛进，一路上向高欢投降的州县络绎不绝、不计其数，最后只有华州刺史王罴坚决不向高欢投降，坚守城池。
宇文泰在东魏大军压境时，亲率不满1万人的军队，自弘农回师渭水南，征召各州的士兵前往迎战高欢，但是还没有汇合，宇文泰就准备出战高欢。西魏诸将以寡不敌众，劝说宇文泰应该坚壁固守。宇文泰看到各地纷纷向高欢投降，担心等到高欢逼近长安，就会大势已去，力排众议决定主动迎击高欢。于是，宇文泰为阻止东魏军逼近长安，乘其远来新至，不待州兵集合，就开始命令部卒在渭水架设浮桥，携带三日粮秣，轻骑渡过渭河。
十月初一，宇文泰领军进至沙苑，与东魏军仅距60里。宇文泰一面派部将达奚武领数骑侦察，一面与诸将商议对敌战术，最后决定在沙苑以东10里苇深土泞的渭曲设伏。
沙苑之战
初二早晨，宇文泰率兵背水列阵，以李弼为右翼，部将赵贵为左翼，选择驻地以东十里苇深土泞的渭曲设伏，令将士皆偃戈于芦苇中，闻鼓声即起。午后，东魏军队行至渭曲，都督斛律羌举看苇深土泞，建议暂时与西魏军相持，同时派遣精锐士兵偷袭长安。高欢主张烧芦苇焚西魏军。司空侯景、部将彭乐则建议生擒宇文泰。高欢最终听从了侯景、彭乐的意见，挥军直前，进攻已经列阵好的西魏军队。东魏军见西魏军兵少，未等列阵便争相进击。两军将交，宇文泰击鼓，伏兵骤起，奋勇冲杀。西魏骠骑大将军于谨等六军配合作战，左军赵贵交战不利，右军李弼领骑兵横击，将东魏军分割为二，宇文泰领军以少胜多大破高欢。高欢率残部东渡黄河逃走。宇文泰率军追到黄河边，斩俘八万人，宇文泰选留士卒两万余人，其余的放归乡里。作为偏军的高敖曹在得知高欢兵败以后，也从桓农撤围，退保洛阳。宇文泰经此一胜，兵精粮足，皆大欢喜。战后宇文泰命令全军将士每人在战场上种植柳树一株，以示庆贺，后升为柱国大将军。
西魏战后进军示意图
沙苑之战后不久，宇文泰趁胜派兵东进。宇文泰派遣冯翊王元季海为行台、开府独孤信率步骑二万向洛阳；洛州刺史李显趋荆州；贺拔胜、李弼东渡黄河围蒲阪。东魏的牙门将高子信打开城门投降，东魏将领薛崇礼弃城而走，贺拔胜等领兵追击，俘获了薛崇礼。宇文泰亲自率军东渡黄河，进军蒲阪，占领了河东之地（今山西省的西南部）。
这一场战役的胜利，不仅使得濒临灭亡的西魏绝处逢生，而且让关陇的军功勋贵集团登上了历史舞台。战后东魏不能再随意侵入关中，东西魏的主战场转为河东（山西）和河南，还对之后长达370年的历史产生了极大的影响，奠定了北周统一北方以及隋、唐王朝强盛的基础。
