Sau khi nắm được tình hình, Đại tướng quân Flavius Aetius mau chóng đưa đại quân từ Ý tới xứ Gaul. Aetius cố gắng thuyết phục vua Theodoric I của người Visigoth tham gia cùng mình. Vua Visigoth nghĩ rằng lực lượng của Aetius là không đủ, và dự định sẽ chờ tới lúc người Hung tới đất mình rồi mới chiến đấu với họ. Aetius xoay sang một người rất có tiếng nói là Avitus để nhờ giúp đỡ. Avitus không những thuyết phục được Theodoric I mà còn lôi kéo thêm được một số man tộc khác ở xứ Gaul cùng tham gia.[26] Liên quân này tiến về Aurelianum và tới nơi vào ngày 14 tháng 6.

Theo tác giả Vita S. Anianus, họ chỉ tới Aurelianum vừa kịp lúc, khi đó quân của Attila đã xâm nhập được vào tường thành. Lúc này người Hung đã biết về việc quân địch đang kéo tới. Họ đã sắp chiếm được thành, nhưng đóng quân lại tại thành phố này cũng có nghĩa là sẽ bị vây hãm bên trong thành (đó là một điều bất lợi, vì người Hung quen với việc vây thành hơn là bị vây trong thành). Vì vậy mà họ đã nhổ trại và rút quân, hẳn nhiên là để tìm một vị trí thuận lợi để giao chiến. Theodoric và Aetius bám theo sát nút, và hai đội quân cuối cùng đã giáp mặt tại những cánh đồng Catalaunian vào ngày 20 tháng 6. Ngày này được sử gia J.B. Bury nêu ra[27] và nhiều người chấp nhận, mặc dù một số tin rằng đó là ngày 20 tháng 9.

Đêm trước trận chiến, một đội quân người Frank thuộc phe La Mã đã đụng độ một nhóm người Gepid trung thành với Attila. Jordanes ghi nhận 15.000 quân mỗi bên đã tử trận, nhưng con số này chưa được xác thực.[28]

Theo phong tục người Hung, sáng sớm hôm đó, Attila lệnh cho các thầy pháp của mình dùng những bộ lòng để tiên đoán kết quả trận đánh. Họ tiên đoán một thảm họa sẽ xảy ra cho người Hung và một kẻ chỉ huy của phe địch sẽ tử trận. Sẵn sàng đánh liều với tính mạng mình và hy vọng rằng Aetius sẽ là kẻ phải chết, Attila cuối cùng cũng ra lệnh xung trận, nhưng trì hoãn tới giờ thứ 9, để việc mặt trời lặn có thể giúp quân đội của ông rút lui, nếu bại trận.[29]

Theo Jordanes, đồng bằng Catalaunian nhô lên về một phía theo một sườn dốc, tới một dãy đồi. Địa hình này là trung tâm của trận chiến. Người Hung chiếm bên phải còn liên quân La Mã chiếm bên trái dãy đồi, còn phần đỉnh đồi chưa thuộc về ai. Cũng theo Jordanes, quân Visigoth đóng ở cánh phải, quân La Mã ở cánh trái, còn Sangiban với lòng trung thành vẫn trong vòng nghi vấn, cùng người Alan của ông ta, bị kẹp ở trung tâm của liên quân. Bên phía quân Hung, Attila đích thân chỉ huy ở trung tâm, còn người Ostrogoth ở cánh trái và người Gepid ở cánh phải.

Khởi đầu cuộc chiến, quân Visigoth đã chiếm được ngọn đồi nhỏ chiến lược. Attila đã cho một số binh lính từ trung tâm qua hỗ trợ người Ostrogoth, còn bản thân ông mang quân tiến đánh trung tâm của liên quân. Khi quân Hung tiến đánh vị trí ở giữa mang tính chất quyết định, họ đã bị đồng minh Alan của La Mã chặn lại. Aetius cũng từ từ đẩy lui cánh của người Gepid. Ở bên cánh kia, quân Visigoth lúc này đã đánh bật cánh của Ostrogoth. Các chiến binh rút chạy hỗn loạn về chỗ đóng quân, làm rối đội hình của Attila. Attila cố gắng tập hợp lại lực lượng và giữ vị trí, nhưng quân Visigoth xoay sang tấn công chính ông, khi mà lực lượng của Attila đã bị phân tán.[30] Khi đang dẫn đầu người của mình truy đuổi quân địch hỗn loạn, Theodoric đã bất ngờ tử trận mà chẳng ai hay biết. Sử gia Jordanes cho rằng Theodoric đã bị ngã ngựa và bị chính người của mình từ phía sau tràn lên giẫm chết, nhưng ông cũng kể một câu chuyện khác rằng Theodoric có thể đã bị giết bởi Andag người Ostrogoth, thuộc phe Attila (nhưng nên nhớ Jordanes là cận thần dưới quyền con của Andag là Gunthigis).[31] Sách khác thì viết rằng Theodoric I bị trúng tên của địch, và bị chết khi lực lượng Kỵ binh của liên quân La Mã - Giéc-man ồ ạt tấn công.[9]

Người Visigoth đã đuổi lên nhanh hơn những người Alan bên cạnh họ và giáp mặt với lực lượng thân cận của chính Attila. Attila suýt nữa thì bị hạ sát,[15] và trong lúc này ông đành phải lui về ẩn náu trong trại của mình, nơi mà ông đã gia cố với những cỗ xe. Liên quân La Mã-Goth càn quét tới tận trại quân Hung. Khi đêm xuống, con trai của vua Theodoric là Thorismund quay về với quân mình, nhưng lại đi nhầm tới trại của Attila và bị thương trong trận giáp lá cà trước khi được những quân lính đi theo giải cứu. Bóng tối cũng đã chia cắt Aetius khỏi lực lượng của ông. Lo sợ tai họa đã xảy ra với họ, ông trú lại qua đêm cùng những người Goth đồng minh.[32]

Đến đây, đội tả quân của Attila vẫn chưa bị đánh bại, nhưng đội hữu quân của ông đã bị đánh tan tác còn trung quân thì phải lui về.[16] Nhìn chung, quân lực của ông đã bị đại bại[2]. Ngày hôm sau, nhận thấy thây lính chết chất cao như núi và người Hung không dám mạo hiểm tiến lên, người Goth và La Mã phải quyết định hành động tiếp theo. Biết rằng Attila không có đủ nguồn dự trữ và e ngại không dám lao lên bởi trận mưa tên từ phía La Mã, họ quyết định tấn công trại của ông ta. Trong tình hình tưởng như tuyệt vọng này, Attila vẫn không chịu khuất phục và thậm chí là đã chuẩn bị sẵn giàn thiêu cho mình để không bị địch thủ bắt giữ và hành hạ nếu thất trận.[33]

Khi Attila bị vây khốn trong trại, người Visigoth đi tìm vị vua bị mất tích cùng con trai của ông là Thorismund. Sau một thời gian dài tìm kiếm, họ thấy xác Theodoric nằm dưới một đống xác chết khác, và đã tiễn đưa ông với những bài ca anh hùng ngay trước mắt kẻ thù. Sau khi biết cha mình đã chết, Thorismund muốn đánh thẳng vào trại của Attila. Quân Visigoth căm giận tột độ, họ đồng loạt kêu gào lên "Hãy báo thù cho Đức Vua !" khi một người lính hô lên rằng "Bọn giặc đã sát hại Đức Vua của chúng ta". Quân Hung và quân Ostrogoth không thể nào cầm chặn được họ.[19] Thế nhưng, Đại tướng quân Aetius đã ngăn Thorismund lại. Theo Jordanes, Aetius sợ rằng nếu người Hung bị tiêu diệt hoàn toàn, người Visigoth của Thorismund sẽ phá vỡ liên minh với La Mã và trở thành một đối thủ đáng gờm khác. Ông không muốn Thorismund - vốn là một vị vua giỏi về quân sự, sẽ là một Alaric I khác đối với Đế quốc Tây La Mã.[16] Vì vậy nên Aetius đã thuyết phục Thorismund quay trở về quê nhà để bảo vệ ngôi vị khỏi tay những người anh em của ông ta, nếu không thì có thể sẽ xảy ra nội chiến. Thorismund sau đó trở về Tolosa (Toulouse ngày nay) và lên ngôi mà không gặp khó khăn gì. Gregory thành Tours cho rằng Aetius cũng dùng mưu kế tương tự để giải tán những đồng minh người Frank, và thu các chiến lợi phẩm từ chiến trường cho riêng mình.[25]

Khi người Visigoth rút lui, lúc đầu Attila nghĩ đó là âm mưu để dụ quân của ông ta ra khỏi trại. Vì vậy ông ta án binh bất động và cố thủ thêm một thời gian nữa. Khi thấy không có tình hình mới nào diễn ra, Attila cho nhổ trại và trở về quê nhà. Những tổn thất quá lớn của cả hai phía khiến Aetius và Attila đều không chắc chắn vào một chiến thắng để tiếp tục trận chiến.[34] Theo biên niên sử của Hydatius, Attila "nổi cáu lên vì chiến bại khó thể đoán trước được của ông ta tại Gaul".[11]