Angkatan yang bertentangan bertemu di Ain Jalut pada 3 September 1260 M, dengan kekuatan kedua belah pihak seramai 20,000 orang.[2] Tentera Mongol yang juga disertai tentera Kerajaan Georgia dan lebih kurang 500 satria daripada Kerajaan Armenia di Cilicia, negara-negara yang telah tunduk kepada Mongol, mara dahulu. Pihak Mamluk memiliki kelebihan pengetahuan tentang letak bentuk tanah dan Qutuz mengambil kesempatan kelebihan ini dengan menyembunyikan sebahagian besar angkatannya di tanah tinggi, dengan harapan dapat memancing Mongol dengan angkatan yang lebih kecil yang diperintah Baibars. Kedua-dua angkatan bertempur buat beberapa jam dengan Baibars menggunakan taktik pukul dan lari untuk membangkitkan kemarahan Mongol dan juga untuk memelihara kekuatan tenteranya. Apabila Mongol menjalankan serangan kuat, Baibars — yang dikatakan orang yang menetapkan strategi keseluruhan pertempuran memandangkan beliau telah menghabiskan banyak masa di wilayah itu semasa menjadi orang buruan — dan tenteranya berpura-pura berundur dan mengumpan Mongol ke tanah tinggi di mana mereka diserang hendap oleh baki angkatan Mamluk yang telah menyorokkan diri di antara pokok-pokok di kawasan tinggi tersebut. Ketua Mongol, Kitbuqa, yang sudahpun berang berikutan tindakan Baibars yang sentiasa melarikan diri dan mengelak daripada bertempur secara berdepan-depan, membuat satu perkiraan silap. Jauh daripada berasa curiga dan mengesyak suatu perengkap, Kitbuqa mengambil keputusan untuk terus mara ke hadapan dengan semua bala tenteranya untuk mengejar tentera Mamluk. Apabila sampai di tanah tinggi, tentera Mamluk muncul dari tempat persembunyian dan menyerang dengan panah berapi dan pasukan berkuda. Tentera Mongol mendapati bahawa mereka dikelilingi Mamluk di setiap sisi.

Tentera Mongol bertempur dengan garang dan gigih untuk keluar daripada perangkap. Qutuz memerhati dari jauh bersama-sama pasukannya. Apabila Qutuz menyedari bahawa saya kiri Mamluk hampir musnah oleh Mongol yang terdesak mencari jalan keluar, belaiu membuang topi besinya agar dapat dikenali anggota tenteranya. Tidak lama kemudian beliau kelihatan mara ke medan pertempuran dan mara ke bahagian kiri ketumbukan Mamluk. Pihak Mongols ditolak ke belakang dan berundur ke kawasan berdekatan Bisan, diikuti pasukan Qutuz. Bagaimanapun, tentera Mongol dapat berkumpul kembali dan menjalankan serang balas yang berjaya. Namun, pertempuran mula memihak Mamluk yang pada masa ini menikmati kelebihan psikologi dan geografi, dan seterusnya Mongol terpaksa berundur. Pada akhir pertempuran, tentera berkuda berat Mamluk berjaya melakukan apa yang tidak pernah dilakukan mereka, yakni menewaskan Mongol dalam pertempuran jarak dekat.[7]

Pertempuran Ain Jalut juga dikenali sebagai pertempuran terawal yang melibatkan penggunaan meriam tangan (Bahasa Arab: midfa‎). Bahan-bahan letupan ini digunakan Mamluk Mesir untuk menakutkan kuda dan pasukan berkuda Mongol dan menyebabkan barisan Mongol menjadi kucar-kacir. Bahan-bahan ini kemudiannya diperikan dalam risalah-risalah kimia Arab pada awal abad ke-14.[8][9]