כבר באלול תשל"ג (ספטמבר 1973) היו בידי המודיעין הישראלי סימנים המעידים על היערכות צבאית לאורך קווי החזית של ישראל עם סוריה ומצרים, אולם אלו התפרשו כתמרונים בקנה מידה רחב. לכך נוספה ההערכה, שצבאות ערב אינם מוכנים למלחמה כוללת וכי שליטי סוריה ומצרים לא יעזו לפתוח במלחמה, שבה קלושים סיכוייהם לנצח. אולם בשעות הבוקר המוקדמות של יום-הכיפורים, שחל בשבת, 6 באוקטובר, התברר שההערכות לא היו נכונות. בשעה 14:00 פתחו צבאות סוריה ומצרים בו-זמנית במתקפה כוללת ומתואמת נגד ישראל.
במהלך יום-הכיפורים החלה ישראל לגייס את כוחות המילואים שלה. על מלאכת הגיוס הקלה העובדה שהישראלים היו מצויים בבתיהם או בתי- הכנסת, אך הקשתה העובדה ש"קול ישראל" דומם באותו יום. בחזית הסורית-הישראלית נפתחה המלחמה בהתקפות אוויר ובהרעשות תותחים כבדות של הסורים לאורך קו החזית ברמת-הגולן, שהוחזק באמצעות שורת ביצורים ישראליים שהיוו מוצבים קדמיים ועמדות תצפית. הללו הסתייעו בכוחות שריון קטנים (כ-180 טנקים בסך הכול).
בעקבות הריכוך, תקפו שלוש דיביזיות רגלים ומאות טנקים סוריים. עד מהרה התפתחה המתקפה הסורית למתקפה רבתי של שריון, בהשתתפות כ1,-400 טנקים. בראשית המלחמה הנחיתו הסורים במסוקים כוחות רגליים באזור "מוצב החרמון הישראלי", שהוחזק על-ידי מחלקה אחת של לוחמי חי"ר וצוות של חיילי מודיעין וחיל אוויר. מוצב זה, שהיה היחיד שנכנע, נפל לידי הסורים בתוך שעות מועטות.
בגזרה הדרומית של חזית רמת-הגולן התחוללו קרבות עזים. עקב עדיפותו המספרית המכרעת של השריון הסורי שזרם לתוך הגזרה, הובקע הקו וחלק מהכוח הישראלי בגזרה זו נסוג לאזור נפח. באזור זה התחולל הקרב המרכזי, לאחר שהסורים הבקיעו את הקו וחדרו חדירה עמוקה. בכביש הראשי הגיעו הסורים לאזור מחנה נפח ואילו בכביש יהודייה, מעל שפך הירדן לכינרת, הגיעו הסורים כדי 10 ק"מ מהשפך. באזור הגזרה הצפונית חסמה חטיבת השריון הישראלית השביעית את ההתקדמות הסורית לאורך כל קו החזית של הגזרה.
בלילה שבין ה-6 ל-7 באוקטובר חלשו כבר כוחות סוריים על הדרכים המובילות לכינרת, וחילות חלוץ שלהם הגיעו למרחק של 800 מטרים ממושב אל-על המשקיף על הכינרת. ביום ראשון, 7 באוקטובר, ניטשו קרבות קשים לאורך כל הקו, שגרמו אבדות כבדות לשני הצדדים. בשלב זה תוגבר הכוח שבפיקודו של אלוף פיקוד הצפון, האלוף חופי, באוגדה שבפיקודו של תת-אלוף משה פלד, ובעזרת כוח חדש זה נפתחה בגזרה הדרומית מתקפת נגד ביום שני, 8 באוקטובר. אוגדתו של פלד קיבלה את האחריות לאזור כביר-אל-על ולכביש המקביל לו - שניהם מובילים לצומת רפיד. אוגדה זו לחמה בשתי חטיבות טנקים סוריות. לאחר קרב מר שניטש באזור בימים שני ושלישי (8 ו-9 באוקטובר) נהדפו הסורים. ביום רביעי (10 באוקטובר), חזרו הסורים אל קווי הפסקת האש של 1967 "הקו הסגול" (ר' מלחמת ששת-הימים ) לאחר שנגרמו להם אבדות כבדות.
בגזרה הצפונית של החזית, עליה פיקד האלוף רפאל איתן, נבלמה המתקפה הסורית. באזור החטיבה השביעית, הידוע בשם "עמק הבכא" (צפונית לקוניטרה), נותרו 300 טנקים ונגמ"שים סוריים פגועים או נטושים. בגזרה המרכזית של החזית עמדה אוגדתו של האלוף דן לנר בפני לחץ ההסתערות הסורית באזור נפח ולאורך כביש צינור הנפט "טפליין". אוגדה זו הסתערה בכיוון דרום-מזרח והדפה בהדרגה את הכוחות הסוריים מאזור נפח לעבר חושנייה. בשלב זה, בימים שלישי ורביעי (9 ו-10 באוקטובר), שברו שתי אוגדות, זו של לנר מצפון וזו של פלד מדרום, את הכוחות הסוריים באזור חושנייה והשמידו מספר רב של טנקים תוך כדי קרב קשה ביותר. ביום רביעי הגיעו גם כוחותיו של לנר אל ה"קו הסגול", כשהכוחות הסוריים הושמדו או נהדפו. באותו יום נהדפו הכוחות הסוריים כליל מרמת-הגולן וכוחות צה"ל התמקמו לכל אורכו של ה"קו הסגול". ביום חמישי, 11 באוקטובר, החלה מתקפת הנגד של צה"ל לתוך שטחה של סוריה, אוגדתו של איתן פרצה את העמדות הסוריות באזור ג'ובתה, בעוד אוגדתו של לנר תקפה לאורך הביצורים הסוריים בואכה כביש דמשק. ביום שישי, 12 באוקטובר, נכבש הכפר הסורי מזרעת בית ג'אן. מדרום הרחיב צה"ל את תחום חדירתו והתקדם לכיוון כנאכר. כאן נכנס צה"ל לקרב עם שתי דיביזיות עירקיות שנשלחו כתגבורת לסוריה והגיעו לשטח. ההתקפה העירקית נכשלה והכוחות העירקיים נסוגו, בהשאירם כ-80 טנקים הרוסים.
כוחות צה"ל ניצלו את הצלחתם זו וחדרו לאזור הסמוך לכפר שמס. בשבת, 13 באוקטובר, כבשו כוחות צנחנים ישראלים את הגבעה החיונית תל-שמס באבדות קלות. למתקפת נגד שערכו הכוחות הערביים - הסורים, העירקים והירדנים (שאף הם הגיעו בינתיים כתגבורת) - היתה השפעה מועטה על המערכה. עתה חלשו כוחות צה"ל על קו חזק ונוח יחסית שהכוחות הערביים לא הצליחו לשבור אותו. ב-21 וב-22 באוקטובר נכבשו מחדש מוצב החרמון הישראלי ושני מוצבים שהיו בצד הסורי של ה"קו הסגול". במערכה על רמת-הגולן איבד הצבא הסורי כ- 1,100 טנקים, כולל מספר רב של טנקים רוסיים חדישים מטיפוס T-62 . 392 חיילים סורים נלקחו בשבי בידי צה"ל. 68 חיילים ישראלים נשבו בידי הסורים (שלושה מהם לאחר הפסקת האש) . חיל האוויר של צה"ל, שסייע בכל שלבי המערכה לכוחות היבשה, ובשלב מאוחר יותר אף יצא למשימות הפצצה אסטרטגיות בתוככי סוריה (כולל דמשק, ערי נמל ומתקני תשתית), הוציא מכלל פעולה את חיל האוויר הסורי בסוף השבוע הראשון למערכה ורובו הושמד. יתר על כן, חלק גדול ממערכת הטילים מתוצרת רוסית שהוצבו בסוריה, הושמד אף הוא. כוחות צה"ל סיימו את המערכה כשבידיהם מוצבים אסטרטגיים בפסגת החרמון, שחלשו על האזור שבין שדה הקרב לדמשק, ועמדות שמהן מצויים היו פרברי דמשק בטווח תותחי צה"ל. כזה היה המצב הצבאי כאשר קיבל הפיקוד הסורי את הפסקת האש, על-פי החלטת מועצת הביטחון 338 מיום 22 באוקטובר 1973.
בזמן בו החלה המתקפה הסורית, חצו חמש דיביזיות רגלים מצריות את קו בר-לב שלאורך תעלת סואץ - כ-70,000 חיילים מול פחות מ-500 חיילים ישראלים שהגנו על הקו. חצייה זו היתה מלווה בהרעשת תותחים ובהפצצות מטוסים מצריים, שניסו להוציא מכלל שימוש את בסיסי חיל האוויר הישראלי בסיני. כוחות שריון ישראליים שניסו לבלום את החצייה המצרית נתקלו בהתנגדות עזה ובטילי נ"ט שגרמו אבדות כבדות לטנקים הישראליים. הארמיות המצריות - השנייה (בצפון) והשלישית (בדרום) - הקימו ראשי גשר גדולים לרוחב התעלה: בצפון באזור קנטרה; במרכז, באזור אסמאעיליה; בדרום באזור האגם המר הגדול ובאזור סואץ. ניסיונות רצופים של חיל האוויר הישראלי להרוס את הגשרים נעשו תחת מטרייה צפופה של טילים נגד מטוסים, שגרמה לישראל אבדות כבדות. מאמצי כוחות צה"ל להגיע אל היחידות הישראליות הנצורות בתוך קו בר-לב ולחלצן הסבו אבדות כבדות מאוד לכוחות החילוץ, והקו נכבש על-ידי המצרים ביום השלישי למלחמה. מעוז אחד, הצפוני ביותר (באזור בלוזה) - החזיק מעמד במשך כל המלחמה ולא נכבש על-ידי המצרים.
המעוז הדרומי ביותר, בפורט תאופיק, החזיק מעמד כמה ימים, ונכנע כאשר אזל מלאי התחמושת, המזון והתרופות.
ביום שני, 8 באוקטובר, חילק אלוף פיקוד הדרום, האלוף שמואל גונן ("גורודיש"), את אזור חזית סיני לשלושה: הגזרה הצפונית בפיקודו של האלוף אברהם אדן; הגזרה המרכזית בפיקודו של האלוף אריאל שרון ; והגזרה הדרומית בפיקודו של האלוף אברהם מנדלר. באותו יום ערכו כוחותיו של האלוף אדן מתקפה לכיוון אזור גשר פירדאן מול אסמאעיליה, שנבלמה על-ידי המצרים. בקרבות שנמשכו לאחר מכן הטילו המצרים למערכה ריכוזי כוחות רגליים גדולים, במטרה לפגוע בשריון הישראלי על- ידי טילים נגד טנקים. כוחות צה"ל הסתגלו במהירות לסוג חדש זה של לוחמה ופיתחו טקטיקה שצמצמה את אבדותיהם מנשק זה.
ביום ראשון, 14 באוקטובר, ערכו הכוחות המצריים מתקפת טנקים רבתי ובמשך כל אותו יום התחולל קרב שריון בשריון כשהצבא המצרי מתאמץ לפרוץ בארבע נקודות. הקרב העיקרי התנהל בגזרה המרכזית, נגד כוחותיו של שרון, ובו הושמדו במשך היום 110 טנקים. בגזרה הצפונית, התנהלה מערכה נגד יחידות מהארמייה המצרית השלישית, שניסו לפרוץ דרומה, לאורך חופו המזרחי של מפרץ סואץ, לכיוון שדות הנפט של אבו-רודס. ניסיון זה הושם לאל על- ידי חיל האוויר הישראלי. במרוצת יום ה-14 באוקטובר איבדו המצרים בסך הכול יותר מ-200 טנקים.
בלילה שבין ה-15ל-16 באוקטובר חצו כוחות צנחנים מאוגדתו של שרון את החזית המצרית, חצו את התעלה והתבססו בגדתו המערבית ב"תפר" שבין הארמייה השנייה והשלישית. למחרת, כשהצטרפו אליו כוחות שריון, החל שרון מרחיב את תחום החדירה. הכוחות המצריים מהגדה המערבית של התעלה הופתעו ולא גילו התנגדות עיקשת. כוח הארמייה השנייה שחלש על אזור הפריצה והדרך המובילה אליו מנע התקדמות ישראלית מאסיבית לכיוון התעלה. אוגדתו של אדן, נאלצה להיכנס לקרב עם המצרים כדי ליצור פרוזדור רחב מספיק ולאבטחו.
חטיבת שריון מצרית של הארמייה השלישית שנעה צפונה לאורך האגם המר הגדול, הושמדה על-ידי כוחויו של אדן. בינתיים תוגברו כוחותיו של שרון שבגדה המערבית של התעלה, ובפיקודו החלו לנוע צפונה כוחות משני עברי התעלה. בגדה המזרחית של התעלה, סמוך לאזור הפריצה בחלקו הצפוני התחולל אחד הקרבות המרים של המלחמה, באזור "החווה הסינית". עד צהרי יום ה-17 באוקטובר טיהרו כוחותיו של אדן, תוך קרבות כבדים, את הדרכים הראשיות לאזורי גשרי החצייה ובלילה שבין ה-17 ל-18 באוקטובר חצו כוחות אלה את הגשרים. משימתו הראשונה של אדן שפרץ דרומה היתה להשמיד בסיסים רבים ככל האפשר של טילים נגד מטוסים ולהתקדם בכיוון גבעות גניפה. באותו לילה פתחו גדודי קומנדו מצריים במתקפת נגד, מאסמאעיליה דרומה, נגד חטיבת הצנחנים שצלחה ראשונה את התעלה, אך הם נהדפו. באותו זמן התחוללו קרבות אוויר בקנה מידה גדול ובאלה השיג חיל האוויר הישראלי עליונות גמורה. בערב ה-19 באוקטובר חצתה האוגדה של האלוף מגן (שקיבל את הפיקוד לאחר שנהרג האלוף מנדלר) את הגשרים.
עתה היו שלוש אוגדות ישראליות ממערב לתעלת סואץ. אוגדות אלו הרחיבו את אזור הפרצה והפכוהו למובלעת שהלכה וגדלה. ב-22 באוקטובר ניתקו כוחות צה"ל את כביש קהיר-סואץ. מועצת הביטחון, שהתכנסה ביוזמת ברית-המועצות ב-21 באוקטובר, קראה להפסקת אש מיידית שהיתה אמורה להיכנס לתוקף ב-22 באוקטובר בשעה 17.58. הפסקת האש נתקבלה אומנם על דעתן של מצרים וישראל, אך הקרבות נמשכו עד 24 באוקטובר וכשהסתיימו, היו הארמייה השלישית (כ-20,000 חיילים וכ-300 טנקים) והעיר סואץ מכותרות כליל על-ידי צה"ל. עם סיום הקרבות בחזית סיני שלטו הכוחות המצריים על הגדה המזרחית של תעלת סואץ (למעט אזור הפריצה הישראלי) בעומק של כ-10 קילומטרים. כוחות צה"ל שלטו על שטח של 600,1 קמ"ר ממערב לתעלת סואץ, מפרברי אסמאעיליה בצפון עד הר עתקה ונמל עדבייה בדרום, והגיעו בנקודה המערבית ביותר למרחק של 70 ק"מ מקהיר. כך נוצר מצב שבו המצרים ראו כהישג את צליחתם את התעלה והקמת ראשי הגשר על גדתה המזרחית. ישראל, מאידך גיסא, הצליחה לכבוש במתקפת הנגד שלה עמדות צבאיות שהקנו לה עמדת מיקוח במשא-ומתן שבעקבות המלחמה. בקרבות ימיים, ביניהם קרבות הטילים הראשונים בהיסטוריה הימית, השמידה ישראל את מרבית הצי הסורי וחלק מהצי המצרי והשיגה שליטה מלאה הן בים התיכון והן בים-סוף. במהלך הקרבות איבדה מצרים למעלה מ-1,000 טנקים 8,372 חיילים מצריים נשבו בידי צה"ל. המצרים שבו 242 ישראלים.
בעקבות החלטות מועצת הבטחון 338 ו-339 והסכם ששת הסעיפים בין ישראל ומצרים, נפתחה ב-21 בדצמבר 1973 ועידת השלום למזרח-התיכון בג'נבה, בהשתתפות מצרים, ירדן וישראל, בחסותן של ארצות-הברית וברית-המועצות ובראשותו של מזכ"ל האומות המאוחדות.
במרוצת חודש ינואר 1974 התקיים משא-ומתן בקשר להפרדת הכוחות בין ישראל ומצרים, בו מילא שר החוץ האמריקני קיסינג'ר תפקיד מרכזי כמגשר בין ההשקפות של ישראל ושל מצרים. הסכם הפרדת הכוחות בין מצרים לישראל נכנס לתוקפו ב-18 בינואר 1974. עם ביצוע הסכם ההפרדה בין מצרים לישראל, החלו להתקיים דיונים כדי להביא להסכם דומה בין ישראל וסוריה, שנחתם ב-30 במאי 1974.
מלחמת יום-הכיפורים שינתה מושגים רבים בלוחמה מודרנית. היתה זו, כאמור, מלחמת טילים ראשונה בהיסטוריה הימית. בעניין יעילותו של הטיל הרוסי נגד טנקים הובעו דעות מופרזות במקצת; תוך מהלך המלחמה פתר צה"ל את הבעיה. לעומת זאת, הוכחה יעילותם של טילי הנ"מ הרוסים מטיפוס SAM -6 .
מנקודת מבט צבאית טהורה, המלחמה, שנפתחה בנסיבות הגרועות ביותר מבחינתה של ישראל ובנסיבות הטובות ביותר מבחינת מצרים וסוריה, נסתיימה בניצחון כוחות צה"ל. האבדות שנגרמו בנפש לצדדים היו כבדות: כ-3,500 סורים, כ-15,000 מצרים כ-2,350 ישראלים נהרגו בקרבות. אם כי מנקודת השקפה צבאית גרידא אין ספק שישראל זכתה לניצחון צבאי מרשים לאחר המכה של הימים הראשונים, הצלחתה הראשונית של מצרים בצליחת התעלה והחדירה דרך קו בר-לב יצרה פריצת דרך פסיכולוגית אשר אפשרה התקדמות לקראת הסדר מצרי ישראלי. לאחר הסכם הפרדת הכוחות ב-1974 והסכם הביניים ב-1975, הגיע אנוואר סאדאת לביקור בירושלים בנובמבר 1977, ולאחריו נחתמו הסכמי קמפ-דייוויד בספטמבר 1978 והסכם השלום מצרים-ישראל במרס 1979. כל אלו לא היו מתרחשים אלמלא הרגשתה של מצרים שהיא החזירה לעצמה את כבודה האבוד במלחמת יום-הכיפורים.
תוצאה שנייה של המלחמה היתה תלותה ההולכת וגדלה של ישראל בארצות-הברית. תלות זו מתבטאת בחזית הדיפלומטית, במשלוחי נשק אשר התרחבו במידה ניכרת מאז המלחמה ובסיוע כלכלי.
המלחמה עלתה לישראל סכום של שנת תל"ג (תוצר לאומי גולמי) והחוב החיצוני של ישראל הגיע לממדים כאלה שהיא נזקקה למיליארדי דולרים של סיוע כלכלי אמריקני מדי שנה.
תוצאה שלישית של המלחמה היתה יצירת התנאים למהפך של 1977. אף- על-פי שהמערך עדיין הצליח להרכיב קואליציה לאחר הבחירות בדצמבר 1973, פרסום דוח ועדת אגרנט על נסיבות פריצתה של מלחמת יום- הכיפורים, ובעקבותיו פרישתם של גולדה מאיר מראשות הממשלה ומשה דיין ממשרד הביטחון במרס 1974, הובילו להידרדרות נוספת בפופולריות של המערך.
מלחמת יום-הכיפורים זעזעה את החברה הישראלית ואת ביטחונה העצמי, והולידה, בפעם הראשונה מאז קום המדינה, תנועות מחאה אשר דרשו שינויים מרחיקים לכת במערכת הפוליטית הישראלית.