公元303年，成都王颖联合河间王颙率军攻击洛阳，讨伐羊玄之等人，但被长沙王乂屡屡击败。
公元304年初，洛阳城缺粮，宫廷将领逼东海王司马越奏免长沙王司马乂，开城投降。长沙王乂被河间王颙将领张方杀害，成都王颖迫惠帝立其为皇太弟，河间王颙为太宰，东海王越为尚书令。成都王颖胜利后，班师返邺，政治中心北移。而后宫廷将领陈轸集结各方兵力，挟惠帝讨伐成都王颖。最后失败，晋惠帝被俘，东海王越逃至其封国东海（今山东郯城北），河间王颙将领张方占领洛阳。
但不久，司马越的亲弟并州刺史东瀛公司马腾及幽州刺史王浚联合异族鲜卑、乌桓等势力击败成都王颖。张方挟晋惠帝逃至洛阳，拥有关中及洛阳的河间王颙与东海王和解，最后成都王颖被废，河间王颙改立司马炽为皇太弟。
公元304年，司马颖遭王浚和司马腾围攻，遣匈奴领袖刘渊回并州发兵支援，刘渊乘机宣布独立建国。
公元305年，司马越在山东再次起兵，西向进攻关中。
公元306年，东海王越攻入长安。司马颙和司马颖败走，司马模占领长安。东海王司马越迎惠帝还洛阳，随后成都王被害，晋惠帝被司马越毒死，其弟豫章王司马炽继位，是为晋怀帝，由东海王司马越摄政，八王之乱至此结束。
在八王之乱期间，晋朝国内到处是天灾人祸，民不聊生，內迁少数民族受到当时士族统治者加倍的极端压迫，迫使内迁诸民族乘机纷纷举兵造反，寻求独立谋生，因此造成五胡乱华的旷世大劫难，永嘉之祸后士族百姓纷纷南渡自保。
在八王之乱期间，“能建邦命氏成为战国者”有十六国，分别是：成汉、前赵、后赵、前燕、前秦、前凉、后燕、后秦、西秦、后凉、南凉、南燕、西凉、北凉、大夏、北燕。后世由此称为五胡十六国时期。实际上先后还有冉魏、翟魏、西燕、桓楚、谯蜀、前后仇池等僭伪政权。
当时，作乱中国的外族有匈奴、羯、鲜卑、氐、羌、卢水胡、乌桓、巴氐及高句丽。
八王之乱期间，地方势力不断膨胀，少数民族中的分裂分子陆续叛变，氐族李雄在益州逐渐势大，于304年称王，两年后称帝，国号成，与罗尚在巴郡对峙。
308年匈奴首领刘渊称帝，国号汉，割据山西西南部。由于晋朝在中原解除武备，无力平定叛乱，加上严重的自然灾害，严重动摇了统治基础。晋室在八王之乱后面临一场覆亡危机。
刘渊为了要扩充版图，遣子刘聪攻打洛阳，多次被击败。石勒及王弥掠夺关东各州，石勒吞并王弥，脱离刘渊转战南下。
公元310年，刘渊去世，刘聪杀新帝刘和自立为帝。同年，石勒经宛城、襄阳，掠夺江汉一带，隔年北返。当时关东又有蝗灾，洛阳缺粮，鲜卑拓跋部猗卢等欲派兵防御洛阳，司马越以无粮推辞，并率朝中重臣及诸将东讨石勒，怀帝困于洛阳。
公元311年，晋怀帝与司马越的矛盾爆发，密诏苟晞伐之，随后司马越病逝，王衍率军归葬封国。当他东行至苦县（今河南鹿邑县）时，遭石勒袭击，晋军精锐受屠尽亡，重臣降后被杀。此时洛阳空虚，被刘聪、王弥兵攻破，杀害官员百姓三万馀人，掳走晋怀帝，史称“永嘉之祸”。
公元313年，晋怀帝被杀，晋愍帝于长安继立帝位，刘聪派刘曜持续攻打。
公元316年，晋愍帝投降，最后受辱被杀，至此西晋亡。而后，各族陆续在北方建立国家，史称“五胡十六国”。
西晋亡后，在北方尚有多个忠于晋朝的地区，即并州北部刘琨、幽州段匹磾、冀州的邵续、青州的曹嶷、徐龛；东北还有慕容廆、段眷；北方还有代王；西北凉州还有张氏集团。然而，并州刘琨先被石勒击溃，投靠幽州段匹磾。段匹磾则奉东晋王敦密令将刘琨处死，之后段匹磾也被石勒击败。刘聪死后，部将分裂，叛逃的多达二十万户，晋军也一度攻打到离其都城不远的绛县，靳准杀刘粲，建立晋藩天王制度，向晋朝臣属，不久遇害。石勒占领了河东，刘曜也抛弃汉旗号，两人都自立为赵国。刘曜载记：在凉州张寔去世之后，其弟张茂向前赵的刘曜称臣（张轨传记载张茂未降并打败了刘曜）。与晋朝对立的三个割据势力，在当时占领了晋朝五分之一的国土。
西晋灭亡使从秦朝、汉朝、三国、魏国等继承和积累下来的国家文化典籍、技术法式、文献档案等全数落入异族之手，或者随着朝廷外逃人员流失域外。因此造成中华文化大量流失，以及众多涉及天文、地理、冶金、材料、军事、工程、制造、农业、医学等保密技术、单传技术和专利技术的流失和失传，中华文化造成不可估量的损失。
当然，这些流失域外和海外的国家文化典籍、技术法式、文献档案等给中国周边地区的文明发展注入极其强大的养分和动力。