کوفیان شروع به تیراندازی نمودند. جنگ شروع شد. جناح راست سپاه کوفه به فرماندهی عَمرْو بن حَجّاج زُبَیْدی حمله برد، اما با مقاومت لشکر حسین مواجه شد و عقب نشست. عمرو دستور داد که لشکرش تن به نبردهای تن به تن درنداده و تنها از دور اقدام به تیراندازی کنند. جناح چپ سپاه کوفه به رهبری شمر حمله کرد و محاصرهای بینتیجه انجام داد و فرمانده سواران سپاه، از ابن سعد خواست که پیادهنظام و کمانداران را به کمک وی بفرستد. سواره نظام و ۵۰۰ کماندار این کار را انجام دادند. سواران لشکر حسین که پاهای اسبانشان قطع شده بود مجبور شدند پیاده بجنگند. حسین و هاشمیان تنها از جلو میتوانستند پیشروی داشته باشند و ابن سعد دستور داد که لشکریانش از همه جهات به سمت خیمههای حسین رفته تا آنها را خلع سلاح کنند. اما برخی از یاران حسین در میان خیمهها حرکت کرده و با آنها سرسختانه جنگیده و مقاومت کردند. ابن سعد دستور داد که خیمهها را آتش بزنند. در آغاز این کار به سود حسین شد، چون آتش باعث شد تا از ورود سپاهیان عمر بن سعد جلوگیری شود. شمر به سمت خیمههای زنان حسین پیش روی نمود و میخواست خیمهها را بسوزاند که همراهانش وی را سرزنش نمودند که شرمگین شد و از این کار منصرف شد.[۲۰۷][۲۰۸][۲۰۹]
در ظهر، حسین و یارانش نماز ظهر را به صورت نماز خُوف به جا آوردند. بعد از ظهر، سپاهیان حسین، به شدت تحت محاصره قرار گرفتند. سربازان حسین پیش رویش کشته میشدند و کشتار هاشمیان نیز که تا آن لحظه وارد میدان جنگ نشده بودند، شروع شد. اولین فرد هاشمی که کشته شد، علیاکبر، پسر حسین، بود. سپس پسران مسلم بن عقیل، پسران عبدالله بن جعفر، پسران عقیل و قاسم بن حسن کشته شدند. حسین جسم بیجان قاسم را به خیمههایش برد و در کنار دیگر قربانیان قرار داد.[۲۱۰][۲۱۱]
عباس در نبرد کربلا عَلَمدار سپاه حسین بود.[۲۱۲] شیخ مفید روایات مربوط به کشته شدن عباس را با روایات مربوط به حسین پیوند داده و میگوید که حسین و عباس در کنار هم در کنار رودخانه فرات پیشروی نمودند، اما عباس از حسین جدا و توسط دشمن محاصره شد. او شجاعانه جنگید و در مکانی که امروز مدفن وی در آنجا است، کشته شد.[۲۱۳]
در این هنگام، سپاهیان ابن زیاد به حسین بسیار نزدیک شده بودند. اما کسی جرئت نمیکرد علیه وی کاری کند.[۲۱۴] تا اینکه مالک بن نُسَیْر کِندی ضربتی به سر حسین زد[۲۱۵] و کلاهخودش از خون سرش پر شد. بخش حزنانگیز دیگر این لحظات، کشته شدن طفلی است که حسین وی را بر زانوانش قرار داده بود. بر طبق یعقوبی، این طفل، نوزاد بود. تیری گردن طفل را درید و حسین خون طفل را در کف دستانش جمع نمود و به آسمان ریخت و خشم خدا را برای بدکاران خواستار شد.[۲۱۶]
شمر با سپاهی به سمت حسین رفت، اما جرئت نکرد به وی حمله کند و تنها درگیری لفظی بین آن دو شکل گرفت. حسین که در آن زمان ۵۵ سال سن داشت و به اقتضای سنش نمیتوانست مداوم بجنگد، آمادهٔ جنگ شد. از یارانش، سه یا چهار تن بیشتر نمانده بودند که به سپاهیان ابن زیاد حمله برد. حسین که بیم داشت که پس از کشته شدن عریان در صحرا رها شود، چندین جامه پوشیده بود. اما بعد از کشته شدنش تمامی آن لباسها را غارت نموده و بدنش عریان در صحرای کربلا رها شد. ابن سعد نزدیک شده بود و زینب به او گفت: «ای عمر بن سعد، آیا اباعبدالله دارد کشته میشود و تو تنها ایستادهای و تماشا میکنی؟» اشک از چشمان ابن سعد جاری شد. حسین شجاعانه میجنگید و یعقوبی و چند منبع شیعی دیگر میگویند که حتی دهها تن را کشت. اما برخی منابع دیگر حاکی از آن هستند که سربازان ابن زیاد اگر میخواستند میتوانستند حسین را در جا بکشند.[۲۱۷] حسین وقتی به طرف فرات میرفت تا آب بنوشد، تیری به چانهاش یا گلویش خورد.[۲۱۸] بهگفتهٔ نجم حیدر، افراد لشکر یزید در کشتن حسین تردید داشتند و مایل نبودند مسئولیت کشتن حسین را برعهده گیرند.[۲۱۹] سرانجام حسین با آنکه برای آخرین بار دشمنان را از انتقام خدا بیم میداد، اما به او از ناحیه سر و بازو آسیب زدند و او بر صورت به زمین افتاد. سَنان بن اَنَس عَمرو نَخَعی به خولی بن یزید اَصبَحی دستور داد که سر حسین را از بدن جدا کند، اما وی متزلزل شد و نتوانست این کار را بکند. سنان ضربتی دیگر به حسین زد و سر او را جدا کرد و آن را به خولی داده تا سر را نزد ابن زیاد برد.[۲۲۰]
نبرد کربلا از صبح تا غروب روز دهم محرم ۶۱ ه.ق برابر با ۱۰ اکتبر ۶۸۰ م به طول انجامید.[۲۲۱] متیو پیرس قتلعام حسین و خانوادهاش را به عنوان شناخته شدهترین جفا در تاریخ تشیع توصیف میکند.[۲۲۲]