秀吉はこの状況を見てすかさず全軍に総攻撃を発令した。秀吉本隊の大軍が山崎の隘路より殺到したため、兵力、士気ともに勝る秀吉軍が光秀軍を圧倒し、光秀軍は副将斎藤利三らの奮戦にもかかわらず、たちまち総崩れとなった。ただしフロイスの観察によれば、高山・中川・池田の摂津衆に比べて、秀吉が中国地方より引き連れてきた兵はいずれも疲れていたという。このとき、光秀の軍勢は、光秀直属の家臣のほかに近江衆と丹波衆、そして京都近郊を本拠地とする旧室町幕府衆より構成されていた。このうち近江衆が、変後の近江平定の際に光秀に従った者が多く、総じて士気が低かったのに対し、伊勢貞興、諏訪盛直、御牧兼顕などからなる旧幕府衆は奮戦し、多くが討ち死にしている。
光秀は、山崎周辺に伏せておいた兵を早々に撤収させ、光秀本陣も解いて勝竜寺城に籠もらせたが、そこもまもなく秀吉軍に包囲された。勝竜寺城は堅城ではあったが、数万の軍勢による攻撃を支えることは無理であったため、光秀は近臣を従えて勝竜寺城を脱出して京方面に逃亡した。このため、京都市中は一時混乱を極め、主を失った勝竜寺城内の将兵もまた相次いで逃亡した。日本史学者小和田哲男は、この時の敗走が丹波へ向かう亀山組と近江へ向かう坂本組の二手に分かれてしまったことを指摘し、敗走先を一地点に集中できなかったことが「光秀にとって最大の誤算」と評している。翌朝、兵員僅かとなった勝竜寺城は秀吉軍に降伏を申し入れた。光秀自身は、近江での再起を図るべく、居城坂本城を目指して逃亡した。そして、現代の時法では日付の替わる翌未明、小栗栖（京都市伏見区）の間道へと差しかかったところを土民に襲われて死亡した。光秀の介錯をしたのは溝尾茂朝であったといわれる。
歴史的意義.
そしてここには、仮に遠征中の諸将が本能寺の変を知ったとしても、戦線を撤収して光秀を討つべく反転し、京都に攻め上ってくるのには時間がかかるであろうとの読みがあったと思われる。また、諸将が対戦している当の敵（毛利氏、上杉氏など）と光秀自身とが同盟し、織田方の諸将を挟撃する体勢にもっていければ、さらに時間を稼ぐことができるものと判断したであろうことは、光秀が毛利氏などに変報を伝えようと伝令を発していることからもうかがわれる。