Quân Pháp đến đóng trại ở Đông Nam của Le Cateau thuộc Mazinghien. Sau khi trinh sát kĩ lưỡng các vị trí đóng quân của liên minh, Thống chế Villars quyết định tổ chức một cuộc tấn công bất ngờ vào Denain. Kị binh Pháp được điều đến chiếm giữ các đầu cầu vượt sông Selle chạy xuyên qua le Cateau theo hướng Bắc-Bắc-Tây và hợp lưu với sông Escaut đối diện với Denain. Trong buổi chiều một đội binh cũng chiếm giữ các cứ điểm ở nhà máy xay ngũ cốc tại Haspres, chặn luôn đường vượt sông ở đó. Đêm 23 tháng 7, quân Pháp kéo tới nơi đóng trại của Eugene tại Landrecies (ở Sambre, Đông-Bắc-Đông le Cateau) để nghi binh, vờ như sắp tấn công vào đây. Eugene cắn câu và vì vậy ông đã thuyên chuyển binh lực tăng cường cho mặt trận Landrecies, điều này khiến cánh phải của quân Đồng minh - lực lượng đồn trú Hà Lan ở Denain - do Bá tước Albemarle chỉ huy bị suy yếu. Vốn quân Hà Lan đã mất hứng khí nghiêm trọng do quân Anh từ bỏ Liên minh làm cho mọi kế hoạch của họ bị đổ vỡ[11].

Tuy nhiên, vào sáng sớm hôm sau, Villars bí mật cho quân đi vòng qua cánh phải của quân Đồng minh và, dưới sự che chở của sông Selle, đã sắp xếp đại quân thành ba hàng dọc nhằm thẳng vào Denain. Vào lúc năm giờ sáng[24], Villars và các tướng sĩ của ông quyết định sẽ đánh vào Avesnes-le-Sec, chiếm lĩnh một cối xay gió ở đấy[25] làm tiền đồn thuận lợi cho việc quan sát vùng chiến trường thấp phía trước mặt. Đến bảy giờ sáng, quân Pháp đã tiến tới Neuville-sur-Escaut và nhanh chóng chiếm lĩnh các đầu cầu vượt sông Escaut.

Vào lúc tám giờ sáng, lực lượng liên quân tại Denain bất ngờ nhìn thấy một đạo quân Pháp khổng lồ ngay trước mặt mình. Hoảng hốt, Albermarle yêu cầu Eugene tăng viện nhưng Eugene lúc này vẫn chưa nhận thức được tình thế nguy hiểm của quân mình. Đến một giờ chiều, quân Pháp đã tiến tới sát đồn lũy của quân Liên minh tại Denain và bắt đầu công kích. Các mũi tiến công của quân Pháp, dẫn đầu bởi lực lượng công binh trang bị rìu trong tay, đã ào ạt xung phong giữa làn mưa đạn của kẻ địch, vượt qua các dãy rào và đánh chiếm các phòng tuyến của đối phương sau những trận ác chiến bằng lưỡi lê. Trước sức tấn công mãnh liệt của quân Pháp với Villars ở phía trước[15], quân Đồng minh tại Denain nhanh chóng rơi vào hoảng loạn và tháo chạy tứ tán. Một chiếc cầu gần cối xay gió do không chịu nổi sức nặng của vô số lính Đồng minh chạy qua nên đã bị sập, khiến hàng trăm binh sĩ rơi xuống sông chết đuối.

Eugene xứ Savoie hay tin cánh phải bị tập kích bất ngờ đã điều binh sang cứu viện nhưng không thành công. Quân Pháp đóng giữ ở một chiếc cầu băng qua sông Escaut tại Prouvy do Vương công xứ Tingry chỉ huy đã chận đứng quân của Eugene, khiến ông không thể nào vượt sông để ứng cứu cho Albemarle. Quân Áo nhiều lần tấn công dữ dội nhưng các đợt tấn công của họ đều bị bẻ gãy. Cuối cùng, quân Pháp quyết định đặt mìn phá tung luôn cây cầu, thế là Eugene kẹt cứng bên bờ kia sông mà không qua được. Khi đạo quân của Eugene bị con sông Escaut chặn đường thì số phận của Denain coi như đã được định đoạt. Như là thắng lợi quyết định của đạo quân cuối cùng của phong kiến Pháp[26], đại bại này đã mang lại cái kết chẳng vinh quang gì cho cuộc tiến chiếm nước Pháp của quân Đồng minh vốn gây hoang mang khắp kinh thành Paris[8].

Trong thảm họa, Albermarle đã bị quân Pháp bắt làm tù binh.[11] Quân Pháp bắt được 40 Sư đoàn Đồng minh, chiếm được năm trọng điểm và thu được cả trăm cỗ pháo cùng với 40 vạn pao đạn dược - đó là lời đáp trả của Villars cho mệnh lệnh ban đầu của Louis XIV.[6] Sau trận này, các chiến sĩ Kỵ binh Pháp xuống ngựa. Thống chế Villars đi dọc theo các tuyến quân trong hoan hỉ, và nói chuyện với các binh sĩ một Trung đoàn ở bên phải: "Đấy, hỡi binh lính, chúng ta đã đập tan giặc !" Một số sĩ tốt hô to: "Đức Vua vạn tuế !", và vung mũ ra giữa trời. Phần còn lại của tuyến quân chỉnh đốn lại và bắt đầu tung hô, vung mũ ra giữa trời và nổ súng, và quân Kỵ binh cũng tham gia ăn mừng với họ. Điều ấy làm cho các chiến mã hoảng sợ và chúng đã tháo chạy tán loạn. Sự cố này làm nhiều binh sĩ bị thương và nhiều quân nhu bị mất, mà nếu có 4 binh sĩ đứng trước chúng, thế nào những chiến mã ấy sẽ dẫn họ vào lòng quân địch.[27]