Сражение началось со стычки противостоящих частей нумидийских конников. Затем Ганнибал пустил в атаку слонов. Когда те, тяжело ступая, двинулись на римскую армию, Сципион дал команду по всему фронту трубить в трубы и рога. Внезапный трубный рев напугал слонов. Те, что были слева, повернули и врезались в ряды нумидийцев Ганнибала. Воспользовавшись замешательством в рядах отборной конницы противника, Масинисса ринулся в атаку и вытеснил нумидийцев с поля боя. В центре образование проходов в строю манипулов принесло плоды, ибо хотя слоны причинили тяжелый урон велитам, большинство слонов прошло сквозь строй римлян, не затронув тяжелую пехоту. Некоторых копьями римской конницы повернули назад в сторону правого фланга карфагенян. Лелий, как и Масинисса, воспользовался замешательством конницы противника и бросил свою конницу на карфагенский правый фланг. Таким образом, конница Ганнибала с самого начала была изгнана с поля боя и его фланги оказались оголенными.
Римская конница далеко отогнала карфагенскую, а тем временем начался второй этап сражения – в бой вступила пехота. Поначалу галлы и лигурийцы Ганнибала благодаря мобильности получили преимущество, но им по существу не удалось нарушить строй римлян, которые, имея преимущество в весе, постепенно начали теснить противника. Когда же в бой вступили принципы, второй эшелон карфагенян не смог удержать фронт, и, когда галлам показалось, что их покинули в беде, они прекратили борьбу и рассеялись, оставив второй эшелон перед лицом римлян. Земля была завалена трупами и стала скользкой от крови. Какое-то время новый карфагенский фронт теснил римских гастатов. Но затем римские командиры навели порядок в рядах принципов, и, располагая более широким фронтом, римляне оттеснили второй эшелон карфагенян и раздробили его на части. Оставшиеся в живых, как и раньше, бросились укрываться за следующим эшелоном, но, как и раньше, Ганнибал не дал свежим дисциплинированным частям смешаться с потерпевшими поражение. Его испытанные триарии направили вперед копья, и остатки второго эшелона карфагенян разбежались в сторону флангов.
Начался третий и самый ожесточенный этап сражения. Римляне уже наголову разбили два эшелона противника и несомненно были окрылены успехом. С другой стороны, за исключением триариев, все они выдержали тяжелый бой, а теперь им предстояло противостоять отборной пехоте Ганнибала, совершенно свежей и сохранившей нетронутыми боевые порядки. Сохраняя в этот момент поразительное хладнокровие, Сципион проверил состояние своих высокодисциплинированных войск. Распорядился перенести раненых в тыл, приказал переместить утомленных гастатов на фланги и перестроил принципов и триариев в единый плотный порядок по более широкому фронту, с тем чтобы выдержать удар атакующих и в то же время охватить противника с флангов. Полибий рассказывает, что после этого «обе стороны яростно набросились друг на друга. Поскольку силы, боевой дух и вооружение были примерно равны, исход сражения долгое время оставался неясным, воины упорно держали строй и падали замертво, не отступив ни на шаг». Некоторое время бой пехотинцев шел на равных. Затем, наконец, вернулась преследовавшая карфагенян конница Масиниссы и Лелия и с тыла ударила по пехоте Ганнибала. «Большинство его воинов погибло в строю, да и из тех, кто пытался бежать, мало кто остался в живых». Битва завершилась. Конница Сципиона закрепила победу и исход войны в целом, прочесав всю сельскую местность. Сам Ганнибал спасся. Сципион не пошел походом на Карфаген, потому что не располагал осадными средствами и к тому же намеревался продиктовать скорее умеренные, чем карательные условия мира.
Не так просто сравнить достоинства и недостатки двух великих полководцев, противостоявших друг другу в сражении при Заме. Ганнибал, возможно, был сильнее в тактике, его тактический талант в битве при Каннах безусловно сравним с руководством любым сражением в истории военного искусства. Армия Ганнибала по боевой подготовке уступала армии Сципиона – значительная часть его пехоты была лишь полуобучена, и он значительно уступал противнику в численности конницы. Ему пришлось рискнуть, использовав слонов, ибо все зависело от того, как они себя поведут. В данном случае они катастрофически его подвели. И тем не менее, даже после этого, придержав до самого конца свою лучшую пехоту и вынудив римскую пехоту потратить силы на его второстепенные войска, он почти выправил положение. Сципион у Замы не допустил ни одной ошибки, а его хладнокровная перестройка войск в разгар боя была мастерским шагом. Но даже при этом исход битвы решили ниспосланное небом в последнюю минуту возвращение конницы и боевые качества римской пехоты. Ганнибал сделал все, что мог, но к 202 г. до н. э. после 16 лет непрерывного руководства войсками, возможно, лучшая его пора миновала.