公元538年正月，東魏軍隊在潼關慘敗，迫使高歡放棄進攻，退回晉陽。宇文泰斬俘東魏精銳萬餘人，擊退強敵，但局勢仍然非常嚴峻。擁有人口稠密的河北地區的東魏，國力仍舊遠超西魏。
公元538年正月，兩魏疆域圖
雙方在國境線上僵持，渡過了半年時間，迎來的是一場席捲北方大地的旱災。
東魏幅員遼闊，靠著未遭災地區的轉輸，尚能夠勉強度日。而僅佔有關中和隴右的西魏，由於主要糧區的關中受災嚴重，處在了十分危險的境地。更要命的是，軍糧充足的東魏在冬季一定會再次發動攻勢。
宇文泰先下手為強
宇文泰意識到事態的嚴重性，決定搶先出手，向東魏發動進攻，打亂東魏戰略部署的同時奪取糧食。公元538年8月，宇文泰帶領西魏軍隊殺出潼關，迅速攻破東魏軍隊防線，攻克弘農，兵鋒直指洛陽。
宇文泰攻佔弘農
得知弘農失守的消息，高歡迅速集結二十萬大軍，從晉陽南下，向蒲坂進發。同時，命令司徒高昂率三萬人從洛陽進逼弘農。
在弘農糧倉吃著東魏糧食的宇文泰，迅速返回關中。而此時，他手下的將士不滿萬人。
高歡在毫無阻擋的情況下，從蒲坂渡過黃河，立即向西魏重鎮華州發起了的進攻，但華州刺史王羆守備嚴密，短時間難以攻克。高歡決定繞過華州，渡過洛水，向長安前進。
沙苑之戰
此時宇文泰駐紮在渭水南岸，諸州的援兵尚未到達，但擺在眼前的難題，必須迅速做出決斷。若繼續放任高歡向西，兵臨長安城下，關中人心浮動，西魏軍隊很可能不戰自潰。可是正面迎戰，兵力的懸殊是二十倍。
西魏將領大多主張等待援軍，宇文泰卻力排眾議，決定迎戰。西魏軍隊攜帶三日口糧，渡過渭水，輜重則留在南岸，大軍夾渭水向西挺進。
得知宿敵消息的高歡立即下令，東魏二十萬大軍掉轉槍頭，目標是渭河北岸的西魏軍隊。
雙方決戰地點沙苑
位於洛水與渭水之間的沙苑，是一塊開闊的平原地區，由於臨近河流，草木生長茂盛，是一處極佳的馬場。在這樣的地區交戰，對於兵力佔絕對劣勢的宇文泰十分不利，高歡也看到了這一點，命令東魏大軍急速向西魏軍隊靠近。
處於防守狀態的宇文泰，選擇在利於保護側翼的河曲佈陣，西魏軍隊背對渭水，沿東西方向展開。同時令大軍躲藏在齊腰深的草叢中，只留下少量人馬誘敵。
沙苑之戰示意圖，綠色為西魏軍隊，藍色為東魏軍隊
高歡望見西魏軍隊人少，立即下令進攻，東魏大軍喊聲震天，發起了衝鋒。但由於河曲阻擋，進攻的東魏軍隊擁擠在一起，陣型很快變得混亂不堪。
宇文泰抓住戰機，親自擊鼓。西魏軍隊奮起搏擊，東魏大軍雖然人數眾多，卻擁擠在一起無法展開，頓時被西魏軍隊壓制。這時，埋伏在側翼的西魏鐵騎突然殺出，將東魏軍隊一分為二。東魏軍隊瞬間潰敗，高歡棄軍先遁，逃過黃河，勉強保住了性命。
經此一役，東魏軍隊元氣大傷，被俘達七萬人。宇文泰在其中挑選兩萬精銳補充軍隊，加上繳獲的大量軍資器械，瞬間拉平了雙方在軍事上的差距。
西魏反擊
隨著西魏各州援軍相繼趕到，宇文泰立即向東魏展開攻勢。賀拔勝、李弼渡過黃河很快拿下了蒲坂，宇文泰緊隨其後，迅速攻佔河東地區。獨孤信兵出潼關，圍困弘農的高昂不敢應戰，退守洛陽，隨後又退往河北，西魏兵不血刃拿下洛陽。而隨著洛陽失陷，眾多河南州郡向西魏投降，東魏猛然發現，國都鄴城似乎已經不太安全了。
西魏反擊，拿下河東和洛陽
沙苑之戰，是宇文泰與高歡這對宿敵，第二次正面對決。宇文泰在極度劣勢的情況下，憑藉一場絕地反擊，再次擊潰高歡。這場戰爭帶來的結果是東魏軍隊主力潰敗，西魏趁勢的反擊，一舉奪得了河東和洛陽，擁有了拱衛關中的前沿陣地。
而隨著洛陽易主，東魏黃河以南的廣大平原地區，因為無險可守，都處在了西魏的攻擊範圍之內。造成的結果是該區域的大量州郡倒向西魏。
此戰中的高歡
從戰役的經過來看，高歡與淝水之戰中的苻堅頗有相似之處。自詡佔據絕對優勢的軍事實力，迫切想通過一場決戰獲得勝利。卻反被對手利用這一心理，設下圈套，導致慘敗。
三國時期曹操進攻關中時，在渡過黃河後，深溝高壘，保證糧道，對於馬超韓遂的挑戰不予理睬。隨著時間推移，關中諸侯相互猜忌，曹操剋期交戰，一舉將其擊潰。
高歡渡過黃河，已經給關中地區造成了極大的震動，倘若他能夠採取曹操的策略，徐徐圖之，宇文泰未必有可乘之機。歷史無法改變，高歡的軍事才能拯救了宇文泰和關隴集團，將兩魏的軍事實力拉回到了同一水平線。
這也是東魏軍隊最後一次出現在關中平原之上，隨著河東和洛陽的丟失，東魏失去了進攻關中的跳板。而之後兩魏間的大戰，也都在上述兩個地方打響。
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