Обнаружив позиции противника, герцог Энгиенский тут же созвал военный совет. Обход с целью выхода во фронт и тыл противника уже успешно применялся под Фрейбургом годом ранее, поэтому и теперь герцог, не слушая возражений своего коллеги по поводу сильных укреплений Мерси и необходимости беречь солдат, решил использовать ту же тактику, которую виконт на сей раз не считал «победоносной». Используя свой ранг верховного командования, Луи настоял на своем.
Мерси же, усилив свою армию имперскими полками Глейна (6–7 000), расположился на высоте правым флангом к ручью а левым — к горному замку Аллерхайму. Замок и прилегавшее к нему селение были заняты частью пехоты, а главные силы баварцев сконцентрировались позади селения с конницей по флангам. Захватить Аллерхайм победителю при Рокруа казалось легкой задачей. Французы двинулись вперед около полудня, но строились 4 часа, и понесли больше урона от баварских пушек, нежели от собственной стрельбы по противнику. Герцог Энгиенский разделил войска на два крыла и центр, каждые по три эшелона. Левым крылом командовал Тюренн, правым — Граммон, а центр возглавлял Марсен. 6 000 отважных гессенцев входили в третий эшелон Тюренна, который, согласно общему плану действий, должен был вступить в бой только после удачного исхода атаки центра.
Современные исследователи Тридцатилетней войны второй Нордлинген сравнивают со вторым Брейтенфельдом и Рокруа из-за линейного характера боя, а по комбинации полевых фортификаций и боевых линий это сражение предшествовало Полтаве, Мальплаке и Фонтенуа. Маневры сторон были сравнительно просты и целенаправленны, а разнообразные атаки, контратаки и использование резерва стали критическими для его исхода.
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!».
