До тех пор, пока фаланга находилась в оборонительных порядках, прорвать ее строй было затруднительно. Однако, при Магнесии она была обречена. Как показывал опыт многих сражений, удары во фланг и тыл имели катастрофические последствия для любых античных армий, если они заранее не подготовили резервы для отражения таких атак. Фалангисты и находившиеся за ними слоны попытались отступить к лагерю. Некоторое время им удавалось продвигаться назад, но римляне продолжали наседать с разных сторон. Наконец, по Ливию, атака тяжелой римской пехоты сумела нарушить строй фаланги, что привело к ее бегству. Способ атаки легионеров можно реконструировать путем сравнения с битвами римско-македонских войн. При штурме Атрака в Фессалии (198 г. до н. э.) македонская фаланга защищала пролом в стене и вынуждена была стоять на месте. Сменяющие друг друга римские когорты забрасывали противника пилумами, атаковали с мечами, откатывались и возобновляли попытки опрокинуть врага (Liv.XXXII.17.12–15). В начале сражения при Пидне (168 г. до.н. э.) римляне атаковали, а македоняне втыкали сариссы в их щиты и не давали приблизиться. Отряд пелигнов с мечами безуспешно пытались протиснуться между сариссами (Plut.Aemil.19–20).
Не совсем ясна роль слонов в сражении. Ливий описывает столкновение с ними после упоминания обстрела фаланги легионерами, но при этом пишет так, как если бы слоны стояли в промежутках фаланги. Между тем, по Аппиану, фаланга сомкнулась после отхода легковооруженных. По Ливию, римляне использовали опыт, накопленный в африканской экспедиции 204–201 гг. до н. э. Пехотинцы уклонялись от столкновения с животными, метали в бока пилумы. Они старались подобраться к слонам сзади, чтобы подрубить мечами сухожилия. Проникновение легионеров в промежутки фаланги до отхода слонов кажется сомнительным. Они не могли бы держать строй и могли подвергнуться удару в тыл со стороны фалангистов. Описание Ливия больше подходит к бою перед строем фаланги. То, что слонов в начале битвы выдвинули вперед, следует из Зонары (Zonar.IX.20). В то же время Аппиан упоминает о бегстве слонов уже после начала отхода фаланги, причем его рассказ допускает предположение, слонов победили легковооруженные и всадники римлян. Вероятно, речь идет о разных этапах сражения. Остается также неясным, что делали слоны, стоявшие за сирийской конницей на обоих флангах.
Пока все это происходило в центре, Аттал, брат Евмена, поспешил к римскому лагерю на выручку левому флангу с отрядом из 200 (Ливий) или 400 (Аппиан) всадников. В этот момент Антиох наконец прекратил бой у лагеря и повернул назад. Воины Антиоха без труда отбросили и рассеяли отряд Аттала, но к моменту их возвращения на поле битвы уже ничего нельзя было изменить. Царь бежал в направлении Сард. Бой еще шел у селевкидского лагеря. Охрана лагеря и часть отступающих воинов оказала упорное сопротивление в воротах и перед валом. На некоторое время они остановили противника, но римляне, жаждущие добычи, все же смогли сломить их оборону и ворвались внутрь. По Аппиану, это произошло еще до бегства Антиоха, по Ливию, — после него. В лагере и за его пределами пошла резня. Воины Антиоха, смешавшиеся с верблюдами, колесницами и слонами, в беспорядке бежали. Обезумевшие слоны не слушались вожаков и топтали своих. Пергамская и римская конница преследовали врага, убивая всех, кого настигали (Liv.XXXVII.43.5-11; App.Syr.36).