Ngày 4 tháng 9 1914, sau khi nắm được thời cơ, thống soái quân Pháp Joffre quyết định ra lệnh tấn công. Trận sông Marne lần thứ nhất chính thức bùng nổ vào ngày 5 tháng 9. Tập đoàn quân số 5 của Pháp phối hợp với quân viễn chinh Anh tấn công vào cánh phải quân Đức là nơi mà người Đức để 1 lỗ hổng chết người. Về lực lượng, quân Đức có phần nhỉnh hơn và cộng chung quân số của cả hai phe tham chiến trong trận này hơn 2 triệu người. Ngoài ra còn có 600 đại bác hạng nặng và 6000 đại bác hạng nhẹ tham gia cuộc chiến.

Trong khi liên quân Anh-Pháp lợi dụng thành công sai lầm của người Đức thì quân Đức lại thất bại trong việc chọc thủng phòng tuyến của tập đoàn quân số 6 Pháp vừa mới thành lập. Từ ngày 6 tháng 9 đến ngày 8 tháng 9, tập đoàn quân số 6 đã nhận được 6000 quân cứu viện từ 600 chiếc taxi ở Paris do lệnh của Gallieni. Ngày 8 tháng 9, Trung tướng Pháp Franchet d'Esperey của Tập đoàn quân thứ 5 mở 1 cuộc tấn công bất ngờ vào tập đoàn quân 2 Đức để mở rộng hơn nữa lỗ hổng của tập đoàn quân này với tập đoàn quân1. Franchet d'Esperey được Joffre giao nhiệm vụ chỉ huy tập đoàn quân 5 khi Trung tướng Charles Lanrezac tỏ ra quá thận trọng làm cản trở cuộc phản công. Quân đội Đức thành công trong việc chặn đứng quân Pháp tại sông Ourcq, phụ lưu của sông Marne nhưng cánh trái tập đoàn quân 1 đã bị quân Anh đe doạ và đứng trước nguy cơ tan vỡ. Do hệ thống liên lạc quá yếu kém nên Thượng tướng Đức Moltke không thể biết được chính xác những gì đang diễn ra nên thực tế chỉ huy trận đánh là các sĩ quan cấp dưới trong các tập đoàn quân.

Một sai lầm lớn của Moltke là trong khi liên quân Anh-Pháp đang tấn công dồn dập, ông lại ra lệnh cho Thái tử Ruppretch xứ Bayern tiếp tục tấn công quân Pháp tại khu vực Alsace và Lorraine mà đáng lý ra cánh quân này phải đến sông Marne để yểm trợ cho quân Đức. Cũng như các binh đoàn bị rút về Đông Phổ từ trước khi trận đánh đã làm quân Đức suy yếu rõ rệt.

Ngày 8 tháng 9, khi thời khắc quyết định đã đến, Thống chế Anh John French đã dẫn lực lượng của mình bí mật chui vào khe hở giữa 2 tập đoàn quân số 1 và số 2 của Đức. Ngày 9 tháng 9, hai tập đoàn quân số 1 và số 2 của Đức đã đứng trước nguy cơ bị bao vây, che cắt và tiêu diệt hoàn toàn. Tập đoàn quân số 2 đã buộc phải rút lui, tập đoàn quân số 1 tuy đang chiếm ưu thế nhưng bị rơi vào thế cô lập cũng đành phải rút lui. Tình hình trở nên bế tắc[20]. Thượng tướng Moltke trước tình thế đó đã quyết định ra lệnh cho quân Đức chính thức rút lui về sông Aisne để tập hợp lại lực lượng. Đến ngày 11 tháng 9 thì quân Đức đã hoàn toàn rút hết. Như vậy, quân Đức bại trận nhưng không bị đánh tan tác.[20] Theo lệnh của Thiếu tướng Joffre, liên quân Anh-Pháp trước việc quân Đức đồng loạt rút lui đã tổ chức truy kích nhưng tốc độ quá chậm (chỉ 19 km 1 ngày) nên quân Đức đã rút lui thành công. Cuộc rút lui của quân Đức kết thúc sau 65 km (40 dặm) tại phía bắc sông Aisne. Cũng từ đây tại vị trí này, 1 hệ thống chiến hào đã được người Đức xây dựng để biến khu vực này thành 1 phòng tuyến ngăn chặn bước tiến quân Pháp.

Cuộc rút lui của quân Đức từ ngày 9 tháng 9 đến ngày 13 tháng 9 đã làm thất bại hoàn toàn kế hoạch Schlieffen. Moltke trong bản báo cáo gửi về Hoàng đế Đức (Kaiser) là Wilhelm II đã viết "Muôn tâu Bệ hạ, chúng ta đã thua cuộc chiến này". Đây là một trong những hành động cuối cùng của vị Tổng Tham mưu trưởng cũ - ông nói đúng mặc dù ông đã từng tin vào thắng lợi chóng vánh của Quân đội Đức:[7] đoàn hùng binh Đức đã vuột mất chiến thắng[22][23]. Một trong những nguyên nhân không thành chủ yếu được chỉ ra là lính Đức mà tiêu biểu là tập đoàn quân số 1 đã phải di chuyển 350 km liên tục từ biên giới Pháp-Bỉ đến sông Marne nên đã hoàn toàn kiệt sức đồng thời hệ thống liên lạc và hậu cần của người Đức không đáp ứng đủ yêu cầu cho trận chiến. Và cuối cùng bản thân Helmuth von Moltke cũng phạm nhiều sai lầm nghiêm trọng do đó sau trận này ông đã bị cách chức.