Полностью собрав свои силы, Атилла выбрал удобную для конников позицию на Каталаунских полях, где-то между современными городами Труа, Шалон-сюр-Марн (древний город Дурокаталаун) и, вероятно, Мери-сюр-Сен. Его обоз был превращен в укрепленный лагерь и, возможно, окружен рвом.

Узнав об этих приготовлениях Аттилы, Аэций наступал осторожно и неспешно, давая возможность присоединиться к своей армии многочисленным франкским перебежчикам из гуннских войск.

Аттила разделил свои силы на три главных части: сам он командовал гуннами в центре, остготы располагались у него на левом фланге, а большинство других германских союзников — на правом.

Аэций разместил Теодориха и вестготов (по большей части, тяжелую кавалерию) справа от себя и лично командовал левым крылом, которое состояло, главным образом, из его легионов, тяжелой кавалерии и франкской пехоты. Ненадежные аланы были размещены в центре, возможно, поддерживаемые контингентом тяжелой римской пехоты или кавалерии, чтобы удержать их от соблазна дезертирства или смены сторон. С Аэцием был Торисмунд (сын Теодориха) и вестготский контингент — не исключено, что в роли заложников.

Очевидно, битва началась, когда Аэций послал контингент Торисмунда захватить высоты, господствовавшие над правым флангом гуннов. Аттила ответил общей контратакой, которая проникла глубоко в центр боевых порядков союзников, когда аланы все-таки дезертировали или просто бежали с поля боя. Тем не менее франки и римляне слева и главная масса вестготов справа держались твердо, а яростные атаки гуннов не были в состоянии выбить Торисмунда с его изолированной позиции. Теодорих атаковал остготов перед его фронтом, и хотя престарелый правитель в этом беспорядочном сражении погиб, разъяренные гибелью вождя вестготы медленно оттесняли назад своих остготских родичей. Тем временем на левом фланге союзников Аэций вновь соединился с Торисмундом. Теперь, очевидно, в соответствии с заранее составленным Аэцием планом битвы, гуннам угрожало двойное окружение. Поняв это, некоторые из союзников Аттилы и даже сами гунны заколебались.

С приходом темноты вестготский контингент на правом фланге, очевидно, разбил находившихся непосредственно перед ними противников, тогда как сам Торисмунд достиг укрепленного гуннского лагеря еще ранним вечером, но был отброшен гуннской кавалерией, посланной Аттилой. Убедившись, что день потерян, Аттила скомандовал общее отступление. Отдельные яростные и беспорядочные очаги сражения догорали всю ночь, пока рассеянные гуннские отряды пытались вернуться в свой лагерь. Аэций приказал своему крылу пребывать наготове, пока он попытается реорганизовать разбитый центр. Видимо, он был отрезан какими-то из отступавших гуннских отрядов и едва сумел ускользнуть к бивачным кострам главного корпуса вестготов, где и провел ночь.

Ожидая, что Аэций попытается штурмом взять его лагерь, Аттила приготовился сражаться до конца. Однако Аэций не атаковал. Неясно, почему он хотя бы не заблокировал Аттилу и голодом не принудил гуннов к сдаче. Возможно, он опасался, что полное уничтожение общего врага позволит вестготам прибрать к рукам всю Галлию. Высказывались даже предположения, будто он вошел в секретные переговоры с Аттилой, пообещав, что возмездия не будет, если гунны немедленно отступят из Галлии. Во всяком случае, он побудил Торисмунда, по смерти отца взошедшего на вестготский трон, с большей частью своей армии вернуться в Тулузу, чтобы обеспечить безопасность королевства. Аттила спокойно и быстро вернулся за Рейн. Потери сторон в битве на Каталаунских полях неизвестны, однако они были, вероятно, ужасающими, особенно среди гуннов и их союзников.

По общему мнению, это сражение считается одной из решающих битв мировой истории, поскольку победа Аттилы означала бы полную гибель остатков римской цивилизации и падение христианской религии в Западной Европе, а также могла бы привести к господству в Европе азиатские народы. По свидетельству близких к тому времени людей, в битве народов погибло около 300 тысяч человек.