После неудачи посольства не осталось иного выбора, кроме как дать бой. Рано утром в понедельник 28 июня Боэмунд собрал крестоносцев для битвы. Их разделили на шесть армий. Первая состояла из французов и фламандцев под предводительством Гуго Вермандуа и Роберта Фландрского, вторая — из лотарингцев под началом Готфрида; третья включала нормандцев герцога Роберта Нормандского; четвертая — тулузцев и провансальцев во главе с епископом Пюиским, так как Раймунд был тяжело болен; а пятую и шестую составили итальянские нормандцы, которыми командовали Боэмунд и Танкред. Следить за цитаделью в городе оставили двести человек, которыми должен был командовать Раймунд со своего одра болезни. Несколько священников и капелланов провели на стенах молебен о заступничестве на стенах, а остальные отправились вместе с войсками. Историку Раймунду Ажильскому выпала честь нести в бой Святое Копье. Всех предводителей Христова воинства можно было узнать по его знамени, хотя рыцарские доспехи несколько потускнели. Многие потеряли лошадей и принуждены были идти пешком или ехать не на столь благородных скакунах. Но, укрепленные недавними знаками Божьего благоволения, солдаты храбро шли в бой друг за другом по укрепленному мосту.
Когда они показались из ворот, арабский полководец Кербоги Вассаб ибн Махмуд уговаривал его сразу же их атаковать. Но Кербога боялся, что слишком скорый удар уничтожит только передовые отряды крестоносцев, а если он подождет, то сможет разделаться со всей их ратью одним ударом. Учитывая, какие настроения царили в его войсках, атабек не мог позволить себе продолжать изнурительную осаду. Но когда он увидел шеренги франков, его одолели сомнения, и он — слишком поздно — послал к ним глашатая объявить, что готов обсудить условия перемирия. Франки не заметили его посланца и продолжили наступать, и тогда Кербога применил обычный для тюрок прием: отступать, заманивая врага на неудобную площадку, чтобы там его лучники внезапно обрушили на неприятельские ряды град стрел. Тем временем он выслал отряд, чтобы обойти крестоносцев слева, где их не защищала река. Но Боэмунд был к этому готов и поставил седьмую армию под началом Рено Тульского сдерживать эту атаку. На главной дороге шел ожесточенный бой, среди убитых пал и знаменосец Адемара. Но тюркские стрелки не могли остановить наступления крестоносцев, и мусульмане дрогнули. Христиане продолжали наседать, воодушевленные видением: на холме появилась группа рыцарей на белых конях под реющими белыми стягами, и в их предводителях узнали святых Георгия, Меркурия и Димитрия. С практической точки зрения им больше помогло решение многих эмиров Кербоги не воевать за него. Они боялись, что победа сделает его слишком могущественным, и тогда они первыми и поплатятся за это. Во главе с Дукаком Дамасским они стали покидать поле боя, и это посеяло панику в мусульманских рядах. Кербога поджег сухую траву перед своими войсками в тщетной попытке задержать франков, пока он пытался восстановить порядок. Сокман Ортокид и эмир Хомса последними оставались верными ему. Когда бежали и они, он понял, что игра проиграна, и покинул поле боя. Вся армия тюрок в панике бросилась в повальное бегство. Крестоносцы по совету святого Андрея не стали задерживаться для того, чтобы разграбить вражеский лагерь, а последовали за беглецами до самого Железного моста и многих перебили. Другие, пытавшиеся укрыться в замке Танкреда, были окружены и погибли. Со многими уцелевшими в бою расправились во время бегства местные сирийцы и армяне. Сам Кербога добрался до Мосула с остатками войска, но навсегда лишился и своего могущества, и репутации.
Ахмед ибн Мерван, командовавший цитаделью, наблюдал за ходом битвы с вершины горы. Увидев, что она проиграна, он послал гонца в город сообщить, что сдается. Того привели в палатку Раймунда, и Раймунд послал водрузить на башне цитадели одно из своих знамен. Но когда Ахмед узнал, что знамя это не Боэмунда, он отказался водружать его, — как видно, он уже тайно договорился с Боэмундом о том, что делать в случае победы христиан. Он не открывал ворот до тех пор, пока не появился сам Боэмунд, и тогда гарнизону цитадели позволили уйти из крепости целым и невредимым. Некоторые из них, включая и самого Ахмеда, обратились в христианство и поступили в армию Боэмунда.