Gdy zakładnik zmierzał do obozu wroga, na prawym skrzydle niespodziewanie rozgorzała walka. Stojący tu rzymski wódz Bakuriusz, trybun sagittariów, oraz Kassjon, dowódca skutariów, dali się ponieść emocjom. Wysunęli się ze swoimi oddziałami do przodu i starli z wrogiem, ale zostali odparci. Widząc to, cesarz odwołał misję Richomeresa. W tym samym momencie konnica Alateusza i Safraksa oraz banda Alanów, które dotarły na pole bitwy, nagle uderzyły na Rzymian na obu skrzydłach, siejąc zamęt i zabijając wszystkich, którzy nawinęli się pod rękę. Rozbili oni oddziały Kassjona i Bakuriusza na prawym skrzydle i uderzyli na centrum rzymskie, gdzie stała piechota. Rzymscy piechurzy mieli naprzeciw piechotę Fritigerna, której nie udało im się rozbić. Teraz zaś dodatkowo musieli walczyć z jazdą wroga. W tej sytuacji newralgiczne okazało się lewe skrzydło armii cesarskiej, które początkowo odnosiło sukcesy i prąc do przodu, podeszło prawie pod tabory Gotów. Zadaniem Ammiana (31,13,2), gdyby lewe skrzydło dostało wtedy wsparcie, przełamałoby szyk wroga. Niestety, tak się nie stało, a na domiar złego jazda rzymska, składająca się w znacznej części z najemników, przeszła na stronę wroga.
Zdrada na lewym skrzydle i klęska na prawym przesądziły o losach bitwy, ponieważ rzymska piechota została ściśnięta w okrążeniu i walczyła rozpaczliwie w straszliwym chaosie. Zbiła się w taką ciżbę, że stłoczeni żołnierze z trudem dobywali miecza i nie mogli swobodnie zadawać ciosów. Walkę utrudniał też kurz, który zasłonił słońce. Otoczeni żołnierze, atakowani ze wszystkich stron, nie mogli się wycofać na lepszą pozycję i tratowali się w zamęcie. Jeśli ktoś upadł na ziemię, padał martwy, zadeptany przez kolegów. Rzymianie zadawali wrogom dotkliwe straty, ale nie byli w stanie przerwać ich szyków. Bój trwał wiele godzin. W końcu gdy nastała ciemna, bezksiężycowa noc, resztki sił cesarskich poszły w rozsypkę.
Pod koniec bitwy cesarz z niewielkim oddziałem przedzierał się przez pole bitwy, przeskakując przez stosy trupów, chcąc się skryć wśród oddziałów lanceariów i mattiariów, którzy jeszcze walczyli w zwartym szyku. Jak pisze Ammian (31,13,8): „na jego widok Trajan zawołał, że rozwiałaby się już wszelka nadzieja, gdyby cesarz, opuszczony przez swoich gwardzistów, nie otrzymał osłony przynajmniej od obcych oddziałów posiłkowych”. Na te słowa Wiktor pognał do Batawów, którzy dotąd stali w rezerwie, aby wezwać ich na pomoc. Nie znalazł ich jednak w wyznaczonym miejscu. Ich dezercja przesądziła o losie cesarza. Wiktor wycofał się z pola bitwy, podobnie postąpił Richomeres i Saturninus.
Krążyły dwie wersje informacji o śmierci Walensa. Według pierwszej gdy zapadła ciemność, walczący wśród zwykłych żołnierzy cesarz poległ ugodzony strzałą. Ammian przyznaje jednak, że nie jest to pewne, bo nie ma wiarygodnych świadków. Ciała władcy nigdy nie znaleziono – jego przyboczni bowiem bali się wrócić na miejsce klęski, gdzie barbarzyńcy jeszcze przez wiele dni grabili poległych.
Według innej wersji, którą również podaje Ammian (31,13, 14-16), ranny cesarz wydostał się spośród walczących z kilkoma żołnierzami z tzw. białej straży przybocznej (candidati) oraz dworskimi eunuchami i dotarł do pobliskiej chłopskiej zagrody. Tu uciekinierzy zaryglowali się na piętrze domostwa i usiłowali opatrzyć rany władcy. Wtedy zostali otoczeni przez oddział barbarzyńców, którzy jednak nie wiedzieli, kto jest w środku, i usiłowali wyłamać zaryglowane drzwi. Obrońcy ostrzelali ich z łuków. Wówczas barbarzyńcy, którym spieszyło się, aby dalej grabić poległych, podłożyli pod budynek słomę i podpalili ją. Zabudowania ogarnęły płomienie. Jeden z młodzieńców służących w straży przybocznej wyskoczył przez okno i został pojmany przez wroga. Gdy powiedział, kto był w środku, barbarzyńscy byli bardzo zmartwieni, że nie wzięli cesarza do niewoli. Jak podaje Ammian, ten młody człowiek wrócił potem z niewoli i opowiedział, co się stało. Jednak ta dramatyczna opowieść, podana przez historyka w dobrej wierze, wygląda na zmyśloną przez kogoś historyjkę, która miała wypełnić lukę w życiorysie cesarza.
