Мерси же, усилив свою армию имперскими полками Глейна (6-7 000), расположился на высоте правым флангом к ручью а левым – к горному замку Аллерхайму. Замок и прилегавшее к нему селение были заняты частью пехоты, а главные силы баварцев сконцентрировались позади селения с конницей по флангам. Захватить Аллерхайм победителю при Рокруа казалось легкой задачей. Французы двинулись вперед около полудня, но строились 4 часа, и понесли больше урона от баварских пушек, нежели от собственной стрельбы по противнику. Герцог Энгиенский разделил войска на два крыла и центр, каждые по три эшелона. Левым крылом командовал Тюренн, правым – Граммон, а центр возглавлял Марсен. 6 000 отважных гессенцев входили в третий эшелон Тюренна, который, согласно общему плану действий, должен был втупить в бой только после удачного исхода атаки центра.
Современные исследователи Тридцатилетней войны второй Нордлинген сравнивают со вторым Брейтенфельдом и Рокруа из-за линейного характера боя, а по комбинации полевых фортификаций и боевых линий это сражение предшествовало Полтаве, Мальплаке и Фонтенуа. Маневры сторон были сравнительно просты и целенаправленны, а разнообразные атаки, контратаки и использование резерва стали критическими для его исхода.
Горя нетерпением вступить в сражение, Луи начал атаку 3 августа в 5 утра еще до восхода солнца. Фактически битва представляла из себя три отдельных боя – герцога против Мерси, Граммона против Верта и Тюренна против Гелеена. Сигнал к наступлению дали 14 (или 18) пушек в центре. Марсен с главными силами пошел прямо на Аллерхайм и встретил мощные залпы баварской артиллерии. Он быстро овладел окраиной, но не смог выбить противника из церкви, кладбища, обнесенного оградой, и нескольких больших зданий, приспособленных к обороне. За неимением места его солдаты не могли развернуться. Герцог послал ему на помощь конницу, но Мерси со своими всадниками контратаковал французов на фоне поддержки непрерывным пушечным огнем. Марсен был тяжело ранен, и французы отступили. Вторая шестичасовая атака французов несколькими свежими батальонами, а затем и всей пехотой центра, несмотря на храбрость возглавлявшего ее герцога Энгиенского, тоже провалилась. К 7 утра двух эшелонов центра практически не существовало. Аллерхайм остался в руках баварцев.
Когда Мерси увидел, что герцог строится для следующей атаки, он пришел в экстаз и воскликнул: «Они сами идут в наши руки!». Его контратака разорвала линию французов на две части, но, отдавая очередной приказ, Мерси по счастливой для противника случайности был убит в результате выстрела из пушки.
Граммон был даже более неудачлив, нежели герцог Энгиенский. Левый фланг конницы баварцев под командой Иоганна де Верта атаковал и опрокинул правый фланг французской кавалерии, а Граммон, который перешел баварский фронт, был окружен и взят в плен. Однако де Верт увлекся преследованием Граммона, а затем баварская конница принялась грабить французские обозы.
Атаки Тюренна были более успешными. Видя неудачу штурма Аллерхайма, он взял инициативу в свои руки и двинулся на Гелеена с левым флангом конницы. Прорвав первую линию баварца, Анри атаковал вторую и стойко держался до тех пор, пока не прибыли гессенцы, во главе которых стал его соратник. Конница противника была разбита, пехота подверглась сильному натиску, артиллерия захвачена, а Гелеен был взят в плен. После этого герцог произнес свою знаменитую фразу, которая соединяла двух военных гениев: «Если бы мне пришлось в кого-нибудь превратиться, я бы стал Месье Тюренном; он единственный человек, который вызвал во мне такое желание!».
Будь Мерси жив, он бы, возможно, смог распорядиться 5 000 резерва из центра. Но об этом не знали ни Гелеен, ни де Верт. Де Верт подоспел слишком поздно, и после полуночи баварцы отступили. Французская «победа» была разрушительной для обеих сторон. Французы потеряли 4 000 человек (по иным данным – 7 500), баварцы – 2 500 плюс 1 500 пленных (или 6 000), 15 пушек, 15 знамен и 19 штандартов. Наиболее серьезной их потерей был Мерси. На месте, где пал баварский полководец, герцог Энгиенский приказал воздвигнуть памятник с надписью
После этой битвы Анри вполне отдавал себе отчет, что «если бы не потеря главнокомандующего, армия противника не имела бы больше поводов к отступлению, чем французская». Ведь их левое крыло одержало успех без больших потерь, а центр хотя пострадал сильнее, но не расстроился. Между тем, у французов правое крыло было совершенно расстроено, а центр в таком беспорядке, что «потребовалось несколько дней для сбора в одно целое 1200-1500 человек уцелевшей французской пехоты», а гессенцы и веймарцы дорого поплатились за свой отдельный успех и нуждались в отдыхе. Есть все основания порассуждать, что если бы баварцы держались стойко и быстро подготовили себе позицию в тылу на Аллерхаймберге и Шпицберге, что Мерси не преминул бы сделать, французы должны были бы отступить первыми.