Между двумя армиями находилось возвышение, и обе стороны пытались им овладеть. Гунны отправили туда несколько эскадронов, отделив их от авангарда, а Аэций послал вестготскую конницу, которая, прибыв первой, атаковала сверху и опрокинула гуннов.
Борьба за господствующую высоту шла с переменным успехом. Аэцию, хорошо знавшему тактику боя степняков, казалось, в очередной раз удалось отбить атаку наступающих гуннов. Аттила решил вовремя укрепить свое войско речами: «Итак, быстрые и легкие, нападаем на врага, ибо всегда отважен тот, кто наносит удар. Презрите эти собравшиеся здесь разноязычные племена: признак страха – защищаться союзными силами. Смотрите! Вот уже до вашего натиска поражены враги ужасом. Пусть воспрянет дух ваш, пусть вскипит свойственная вам ярость! Теперь, гунны, употребите ваше разумение, примените ваше оружие!»
С криком «Смелые атакуют первыми!» Аттила бросился в бой. В одно мгновение все смешалось. Боевые кличи, блеск оружия и пыль, которая поднялась за ринувшимися всадниками. Византийский историк Иордан пишет: «О подобном бое никогда до сих пор не рассказывала никакая древность, хотя она и повествует о таких деяниях, величественнее каковых нет ничего, что можно было бы наблюдать в жизни, если только не быть самому свидетелем этого самого чуда. Если верить старикам, то ручей на упомянутом поле, протекавший в низких берегах, сильно разлился от крови и ран убитых».
В ходе битвы был убит Теодорих. Но готы Теодориха одолели готов Аттилы. Аттила бросился на слабый центр римлян, смял его, но вестготы врезались в правый бок гуннов, а Аэций повернул против них свое крыло и нагрянул справа. После ожесточенной борьбы гунны, сдавленные с обоих флангов, вынуждены были отступить.
Аттила отвел свои войска и укрылся в лагере, представлявшем собой круг из кибиток, внутри которых располагались палатки. Тем временем Аэций вынужден был отпустить вестготов, чтобы те могли с почестями похоронить своего короля. В их отсутствие продолжение боя могло обернуться для римлян неприятностями. Однако и Аттила не собирался возобновлять сражение. Договорившись с Аэцием, он стал отводить свою разношерстную армию.
Его отход с поля боя даже приблизительно не напоминал бегство. В полном боевом порядке с развевающимися знаменами и под звуки труб гунны с союзниками покидали Каталаунские поля. В литературе можно встретить предположение, что такой отход (как и весь предыдущий поход и сражение) был лишь демонстрацией гуннского могущества, предпринятой для устрашения противника.