בספטמבר 1973 נערכו צבאות סוריה ומצרים לאורך קווי שביתת הנשק עם ישראל. ראשי המודיעין הישראלי העריכו שמדובר בתמרונים בקנה מידה רחב בלבד ושקיימת רק 'סבירות נמוכה' למלחמה. בשעות הבוקר המוקדמות של יום הכיפורים תשל"ד שחל בשבת (ה-6 באוקטובר 1973) התברר על סמך מקורות ביון כי מלחמה עתידה לפרוץ אחר הצהרים. במהלך היום החל צה"ל בגיוס מהיר של כוחות המילואים. בשעה 14:00 פתחו צבאות סוריה ומצרים במתקפה מתואמת נגד ישראל. בחזית הדרום צלחו עשרות אלפי חיילים מצריים, כלי רכב ושריון את תעלת סואץ וכבשו את מרבית המעוזים שלאורך הגדה המזרחית של התעלה ('קו בר-לב'). הכוחות הישראלים המעטים התקשו לבלום את המצרים אשר התקדמו אל תוך סיני ותפסו רצועה צרה לאורך התעלה. בחזית הצפון חצו כוחות גדולים של שריון ורגלים סוריים את הגבול והשתלטו על חלקים גדולים מרמת הגולן. חיילי קומנדו סוריים כבשו את מוצב החרמון וכוחות סוריים התקרבו לגשר בנות יעקב שעל הירדן. בשתי החזיתות סבל צה"ל מאבידות גדולות בנפש וכן מפגיעות קשות בכוחות השריון והאוויר.

כעבור ימים אחדים הצליח צה"ל לארגן את כוחותיו. בצפון בימים 9-8 באוקטובר בסדרה של קרבות קשים נבלמו הכוחות הסוריים והחלה הדיפתם. ב-10 לאוקטובר חזר צה"ל אל קווי הפסקת האש של 1967 ולמחרת חצה אותם. כוחות צה"ל התקדמו בשטחה של סוריה, כבשו מובלעת גדולה והגיעו עד למרחק 40 ק"מ מדמשק. ב-22-21 באוקטובר נכבש מחדש מוצב החרמון בקרב קשה ורב נפגעים. בדרום התקיימו בימים 13-9 באוקטובר קרבות בלימה קשים בין הכוחות הישראליים למצריים. ב-14 באוקטובר פתחו המצרים במתקפה גדולה בהשתתפות 1,000 טנקים במטרה לפרוץ לעומק סיני, אולם נבלמו בהצלחה בידי כוחות קרקע ואוויר של צה"ל. בליל ה-16-15 באוקטובר צלחו כוחות ישראליים את התעלה, כבשו שטחים נרחבים ממערב לתעלה והגיעו עד למרחק 100 ק"מ מקהיר. בעקבות התקדמותם כותרה הארמיה המצרית השלישית ונותרה ללא כל מקורות אספקה.

בעקבות לחצים בינלאומיים כבדים הושגה הפסקת אש וב-24 באוקטובר 1973 נפסקה הלחימה, אולם קרבות מקומיים ותקריות נמשכו  חודשים נוספים ב-21 בדצמבר 1973 נפתחה בז'נווה ועידת השלום למזרח-התיכון בהשתתפות מצרים, ירדן וישראל, ארצות-הברית וברית-המועצות. בהמשך לוועידה התנהל משא ומתן בין ישראל לבין מצרים וסוריה בנושא הפרדת הכוחות. הסכם הפרדת הכוחות בין מצרים לישראל נחתם ב-18 בינואר 1974 והסכם דומה עם סוריה נחתם ב-30 במאי 1974.

למרות ההישגים הצבאיים של צה"ל, גרמה המלחמה למשבר קשה בישראל. הלם ההפתעה, הישגי הכוחות המצריים והסוריים בימים הראשונים והאבידות הכבדות (כ-2,500 הרוגים) - גרמו לתחושת כישלון קשה. תדמיתה של ישראל כבלתי מנוצחת נפגעה קשות וכן גם האמונה ביכולתו ובחוסנו של צה"ל. בעקבות המלחמה ניזוקה ישראל מבחינה צבאית, מדינית, כלכלית וחברתית. בעקבות לחצים בינלאומיים כבדים נאלצה ישראל לוותר על הישגיה במלחמה ואף לסגת משטחים שנכבשו במלחמת ששת הימים.

ב-18 בנובמבר 1973 הקימה הממשלה בלחץ דעת הקהל ועדת חקירה ממלכתית לחקירת הגורמים ל'מחדל' הישראלי במלחמה (ועדת אגרנט). ב-31 בדצמבר 1973, בבחירות לכנסת ה-8, ניצח שוב 'המערך', גולדה מאיר המשיכה לכהן כראש הממשלה ומשה דיין התמנה שוב לשר הביטחון. ב-1 אפריל 1974, פירסמה ועדת אגרנט דו"ח חלקי אשר הטיל את האחריות ל'מחדל' על הדרג הצבאי ופטר מאחריות את הדרג המדיני. ב-11 באפריל 1974, בעקבות המחאה הציבורית הנרחבת, התפטרה גולדה מאיר מתפקידה וממשלתה פוזרה. 'המחדל' של מלחמת יום הכיפורים פגע במעמדו של 'המערך' והיה אחד הגורמים ל'מהפך' של שנת 1977. המלחמה הכשירה את הקרקע להתקדמות לקראת הסדר מצרי-ישראלי, לנסיגת ישראל מסיני ולחתימת הסכם השלום בין ישראל למצרים במארס 1979.