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 5000 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 4000 человек (по иным данным — 7500), баварцы — 2500 плюс 1500 пленных (или 6000), 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.
Трудно сказать, насколько герцог Энгиенский был удовлетворен жестокой победой — ему пришлось даже отказаться от столь желанного вторжения в Баварию. Описывая Великого Конде, герцог Омальский не преминул заметить: «С каждым новым сражением дерзновенность Луи Бурбонского и число человеческих жертв возрастали». Восхищаясь полководцем, он указал и на его недостаток, а именно на излишнюю дерзость. Описывая сражение у Аллерхайма, он поражался смелости, которая нужна была, «чтобы вступить в бой с подобным генералом (Мерси) и с подобными хорошо укрепленными войсками, чтобы вести в атаку армию разнородную, составленную наполовину из иностранцев и из полков, только что созданных; армию, отдаленную от своей базы опустошенной страной…», но, вместе с тем, задался вопросом: «каковы были бы последствия того бедствия, от которого Франция избавилась только благодаря гениальности герцога Энгиенского». Другими словами, герцог Омальский, преувеличивая роль Луи в битве при Аллерхайме, допускал и возможность поражения. По его мнению, каждый полководец имеет право быть смелым, даже дерзким в своих предприятиях, в особенности, если они заканчиваются победой; но смелость и дерзновенность не заслуживают одобрения, если они введены в систему, в неизменное постоянное правило.