План русских был, по словам генерала Маккленана, «великолепен по замыслу, но при исполнении его возникли сложности». Генерал Павлов выдвинул свою колонну и повел наступление на правом фланге, а генерал Соймонов — в центре. О том, что потом случилось, также пишет Маккленан:
В приказе, полученном Соймоновым, выражение «слева от Килен-балки» означало «западнее». Соймонов же ошибочно интерпретировал его как «по левую руку» от него самого, а это привело к тому, что колонны двух генералов смешались и эффективность наступления пострадала, поскольку одновременно в бою могла быть задействована лишь часть каждой колонны.
Ложная атака для отвлечения французов не достигла цели. Генерал Боске наблюдал за армией князя Горчакова и быстро понял, что действия русских ограничивались артиллерийским обстрелом с дальнего расстояния — ни пехота, ни кавалерия не собирались его атаковать. А потому он остался на месте и перенес внимание на ближайшие позиции англичан. Оценив степень замешательства британской пехоты и ощутимый успех русских, Боске приказал своим двум резервным батальонам поддержать англичан контратакой. Вот свидетельство очевидца:
Около 10 часов французские батареи обрушились на правое крыло русских. Три батальона стрелков Орлеанского полка двинулись вперед. Жажда схватиться с противником читалась на лицах солдат. К орлеанцам присоединился батальон арабских стрелков из Алжира. Звуки их труб перекрыли шум битвы. Увидев, как они ударили во фланг русских, мы поняли — победа за нами.
Жаркий бой не утихал, и ход сражения складывался в основном в пользу русских до тех пор, пока Боске не пришел на помощь британцам. Неразбериха на поле битвы весьма ярко описана генералом Эдвардом Хэмли:
Наше положение было близко к отчаянному. Полковники вели в бой небольшие группы и отряды, словно младшие офицеры, а капитаны дрались как рядовые. В этих схватках каждый был сам себе генералом. Враг наступал — и его надо было остановить. Поле сражения напоминало море, где огромные валы перекатывались в разных направлениях, отчего картина постоянно менялась. Если в одном месте неприятель получал отпор и пятился, то в другом он решительно продвигался вперед. Находиться не в гуще битвы, а переводить дух на гребне горы становилось еще более тяжким испытанием, чем схватка с врагом лицом к лицу, когда дело решает твоя сила, опыт и мужество и когда в солдате просыпается ярость, затмевающая чувство опасности и страх смерти.
Сражение длилось весь день и затихло в восемь вечера. «Русские в беспорядке бежали вниз, к долине, где дальнейшее преследование стало бы безумием, поскольку вся местность и все дороги там простреливались их артиллерией. Они оставили позади себя горы трупов», — заканчивает Хэмли.