七月初六，朱元璋亲率水军20万，往救洪都。十六日进抵江西湖口。
首先派兵守住泾江口（今安徽宿松南），另派一军屯于南湖嘴（今江西湖口西北），切断陈友谅归路；又派兵扼守武阳渡（今江西南昌县东），以防陈军逃跑；朱元璋则亲率水师由松门（今江西都昌南）进入鄱阳湖，形成关门打狗之势。
陈友谅听说朱元璋大军来援，即撤洪都之围，东出鄱阳湖迎战，一场规模空前激烈异常的生死大决战，就此在鄱阳湖面展开。
二十日，两军在康郎山（今江西鄱阳湖内）湖面遭遇。时陈军巨舰联结布阵，展开数十里，“望之如山”，气势夺人，朱元璋针对其巨舰首尾连接，不利进退，将己方舰船分为20队，每队都配备大小火炮、火铳、火箭、火蒺藜、大小火枪、神机箭和弓弩，下令各队接近敌舰时，先发火器，次用弓弩，靠近敌舰时再用短兵器进行格斗。
次日，双方展开激战。朱军大将徐达身先士卒，率舰队勇猛冲击，击败陈军前锋，毙敌1500人，缴获巨舰一艘。
俞通海乘风发炮，焚毁陈军20余艘舰船，陈军被杀和淹死者甚众。
但朱军伤亡也不少，尤其是朱元璋座舰搁浅被围，险遭不测。
战斗呈胶着状态。从早晨至日暮，双方鸣金收兵，战斗告一段落，双方互有伤亡，不分胜负。
二十二日，朱元璋亲自率领水师出战。但陈舰巨大，朱军舰小不能仰攻，接连受挫。这时朱元璋及时采纳了部将郭兴建议，决定改用火攻破敌。
黄昏时分湖面上吹起东北风，朱元璋选择勇敢士兵驾驶7艘渔船，船上装满火药柴薪，迫近敌舰，顺风放火，风急火烈，迅速蔓延。
一时烈焰飞腾，湖水尽赤，转瞬之间烧毁陈军数百艘巨舰，陈军死伤过半，陈友谅的两个兄弟及大将陈普略均被烧死。
朱元璋挥军乘势发起猛攻，又毙敌2000余人。
二十三日，双方又有交锋，陈友谅瞅准朱元璋旗舰展开猛攻，朱元璋刚刚移往他舰，原舰便被陈军击碎。
二十四日，俞通海等人率领6舰突入陈军舰队，勇敢驰骋，势如游龙，如入无人之境。朱军士气大振，发起猛烈攻击。
最后，陈军不支败退，遗弃的旗鼓器仗，浮蔽湖面。陈友谅只得收拢残部，转为防御，不敢再战。当天晚上，朱元璋乘胜进扼左蠡（今江西都昌西北），控制江水上游，陈友谅亦退保诸矶（今江西星子南）。
两军相持3天，陈军屡战屡败，形势渐越不利。陈友谅两员大将见大势已去，于是投降了朱元璋，陈军内部军心动摇，力量更加削弱。
陈友谅又气又恼，下令把抓到的俘虏全部杀掉以泄愤。而朱元璋却反其道而行之，将俘虏全部送还，并悼死医伤，瓦解陈军士气，从而大得人心。
陈军内部分崩离析，士气更加低落。朱元璋判断陈军可能突围退入长江，乃移军湖口，在长江南北两岸设置木栅，置大舟火筏于江中，又派兵夺取蕲州、兴国，控制长江上游，堵敌归路，待机歼敌。
经过1个多月的对峙，陈友谅被困湖中，军粮殆尽，计穷力竭，于是孤注一掷，冒死突围。
八月二十六日，由南湖嘴突围，企图进入长江退回武昌。
行至江西湖口时，朱军以舟师、火筏四面猛攻，陈军无法前进，复走泾江，又遭傅友德伏兵阻击，左冲右突，打不开生路，陈友谅中箭而死，军队溃败，5万余人投降。
此次水战，从七月二十日开始到八月二十六日结束，前后历时37天，其时间之长、规模之大，投入兵力、舰只之多、战斗之激烈都是空前的。
决战以朱元璋的完全胜利而告终，这次战役被视为中世纪世界规模最大水战。
创造了中国水战史上以少胜多的著名战例，为统一江南奠定了基础，并为以后的北伐和攻灭元朝，统一全国创造了极为有利的条件。
传闻朱元璋和陈友谅龙湾之战后。第二天私访至一寺院，主持看其面非善类，煞气很重，便想化解他，打问其姓名。朱元璋在寺院墙壁上赋诗一首，大笑而去。和尚一看诗词大吃一惊，只见写到：
杀尽江南百万兵，腰间宝剑血犹腥。山僧不识英雄主，只顾哓哓问姓名。