初战告捷后，金军以娄室率左翼、兀术率右翼，分兵两路向宋阵进攻。双方展开了激烈的战斗。激战中，兀术的右翼金兵遭到刘锜所部的顽强抗击，兀术本人一度深陷重围。其部将韩常也被流矢射中一眼，导致金兵右路被迫稍微退却。
完颜娄室的左翼进展则较为顺利。面对娄室的是南宋的环庆兵。当环庆兵遭到金兵强大压力时，其他各路宋兵却都各自龟缩不出，并未提供支援。更加不利的是，环庆兵主帅赵哲非但没有像刘锜一样鼓舞士气，反而临阵脱逃。这导致环庆兵迅速溃败。环庆兵的溃败也成为战斗的转折点。其他几路宋军眼见友军已经败退，陷入军心不稳的状态，纷纷开始溃逃。张浚见兵败如山倒，也迅速后撤。从富平后撤的宋军丢弃了所有辎重物资，一直逃至邓州才敢稍作喘息。就这样，动员近20万宋军和整个陕西物力所进行的富平之战，仅在交战半天之后便以宋军的溃败而告终。
宋军虽然在富平之战中战败，宋军的伤亡其实没有想象的大。张浚收集残部，仍得10余万人。但张浚掏空了陕西的家底，川陕数年之物质积累的损失，却难以估量，使得宋朝很难再陕西重新集结起一支大军队。这场溃败严重打击了宋军的士气，导致宋军在陕西彻底陷于被动。在富平之战后，金军乘胜进攻，导致南宋基本丧失了陕西这个极为重要的战略区。更严重的是，本来处于大后方的四川完全暴露在金人的铁蹄面前。如果四川被金国占领，南宋不仅将失去一个财富重地，同时金人还可能乘船顺流而下，绕开荆襄防线灭亡南宋。好在吴氏兄弟十分给力，在和尚原大败金兀术，这才把四川保了下来。
