مسلمانان در بخش شرقی دشت یرموک اردو زدند. در فاصله‌ای در شرق آنها تپه‌های گدازه از شمال به شرق ازره و کوه‌های جبل‌الدروز قرار داشت. چند روز بعد، احتمالاً در آخرین روزهای ژوئیه، ارتش روم وارد دشت شد و اردوگاه مستحکمی در بخش غربی آن ساخت.
با خالی ماندن بخش مرکزی دشت، ارتش‌ها با شناسایی مواضع دشمن شروع به آماده‌سازی برای نبرد کردند. منابع از مذاکرات گسترده‌ای یاد می‌کنند که هفته‌ها ادامه یافت، اما جزئیات گفتگوها پیچیده است. به طور خلاصه، آنها به شکست انجامید و نبرد اجتناب‌ناپذیر بود. بر اساس برخی منابع، نیروهای کمکی خلیفه متشکل از ۵ هزار تیرانداز معروف یمنی و یک هزار پیاده‌نظام که کهنه‌سربازان اولین لشکرکشی‌های مسلمانان در عربستان بودند، در طول این مذاکرات به ارتش پیوستند.
میدان نبرد در طرفین غربی و جنوبی توسط دره‌های عمیق محصور شده بود. در غرب، وادی الرقاد به رودخانه یرموک نزدیک یاقوسا می‌ریخت. این جریان به طول ۱۱ مایل از شمال شرق به جنوب غرب از طریق دره‌ای عمیق با کناره‌های بسیار شیبدار جریان داشت. دره در چند نقطه قابل عبور بود، اما فقط یک گذرگاه اصلی وجود داشت که امروزه روستای کفرالم در آنجا قرار دارد. در جنوب میدان نبرد، دره رودخانه یرموک قرار داشت، در حالی که صحراها شمال و شرق آن را اشغال کرده بودند. دشت عمدتاً مسطح بود، به جز تپه کوچکی به نام سمین.
در ۱۴ اوت، ارتش روم به جلو حرکت کرد و شروع به تشکیل در شرق و شمال آلان کرد. مورد بحث است که آیا ارتش توسط ژنرال ارمنی واهان فرماندهی می‌شد یا هر یک از ۵ سپاه رهبر جداگانه‌ای داشتند. ارتش بیزانس به شرح زیر مستقر شد: سواره‌نظام سبک غسانی جبله در سراسر دشت به عنوان پیشقراول گسترده شد تا ارتش را پوشش دهد و با دشمن درگیر شود. قناطر جناح چپ را فرماندهی می‌کرد، در حالی که گریگوری در جناح راست بود و ۲ سپاه مرکزی توسط دیرجان و واهان رهبری می‌شدند. رومی‌ها پیاده‌نظام نیزه‌دار و شمشیرزنی در رده اول، تیراندازان در رده دوم و سواره‌نظام پشت سر آنها داشتند.
اگرچه ابوعبیده فرمانده کل منصوب خلیفه بود، منابع ادعا می‌کنند که او به خالد اجازه داد فرماندهی را بر عهده بگیرد. نیروی مسلمان از نظر عرض با ارتش روم برابر بود، اما از آنجا که کوچکتر بود، تشکیلات آن به این عمق نبود. خالد برخی از سواره‌نظام سبک خود را به پیشقراول فرستاد تا رومی‌ها را زیر نظر بگیرد. پیاده‌نظام به ۴ سپاه تقسیم شد که هر کدام از ۹ واحد تشکیل شده بود، با پیاده‌نظام در جلو و تیراندازان پشت سر آنها. ۳ واحد سواره‌نظام پشت هر جناح و مرکز قرار داشتند، در حالی که واحد سواره‌نظام متحرک خالد به عنوان ذخیره عمل می‌کرد. برنامه فرمانده عرب این بود که دفاع کند و حریف را خسته کند و سپس در صورت امکان ضدحمله کند. هر دو ارتش جناح جنوبی خود را توسط رودخانه یرموک ایمن کرده بودند، در حالی که جناح شمالی مجاور صحرا فرصتی برای دور زدن دشمن ارائه می‌داد.
نبرد یرموک در ۱۵ اوت ۶۳۶ آغاز شد، زمانی که پیشقراولان سواره‌نظام سبک روم به پشت ارتش اصلی حرکت کردند و عمدتاً سواره‌نظام جناح چپ را تقویت کردند. پیشقراولان عرب نیز همین کار را کردند و به واحدهای اصلی سواره‌نظام پیوستند. غیرمعمول است که نبردی در این دوران را ببینیم که با درگیری پیشقراولان سبک شروع نشده باشد، اما منابع به این موضوع اشاره نکرده‌اند و در عوض اصرار دارند که قهرمانان دو طرف ساعتها دوئل کردند. در هر صورت، پس از عقب‌نشینی نیروهای پوششی، یک سوم پیاده‌نظام روم در ظهر در سراسر جبهه پیشروی کردند. به زودی پیاده‌نظام روم با همتایان خود درگیر شدند، در حالی که تیراندازان در رده دوم درگیر شدند و تیرهای خود را بالای سر پیاده‌نظام خود شلیک کردند.
جزئیات این روز اول کم است، اما ممکن است بیزانسی‌ها تصمیم گرفته باشند که شناسایی با نیرو مزایایی دارد - حمله آنها کند و فاقد عزم بود. پس از چند ساعت جنگ، جدا شدند و به مواضع اولیه خود بازگشتند. روز اول نبرد به پایان رسید و طرفین به اردوگاه‌های خود بازگشتند.
در شب چند واحد سواره نظام سبک رومی به جلو حرکت کردند، اما توسط همتایان عرب خود گرفتار شده و مجبور به عقب نشینی شدند. این یورش ها به ظاهر نامنسجم و فاقد هدف بودند، زیرا تقریباً نیروی کافی برای ایجاد آسیب جدی نداشتند، اما به رومی ها اجازه دادند در تاریکی بدون هشدار به دشمن صف آرایی کنند. برنامه این بود که به مسلمانان در اسرع وقت حمله شود و فرصت تشکیل صف به آن ها داده نشود. در واقع، کل ارتش روم قبل از طلوع آفتاب حمله کرد. برخی منابع ادعا می کنند که آن ها از مناسک مذهبی مسلمانان - که یکی از نمازهایشان در این زمان انجام می شد - اطلاع داشتند و تصمیم گرفتند از آن به نفع خود استفاده کنند.
متأسفانه برای مهاجمان، همان گشت های سواره نظام سبکی که در طول شب با آن ها جنگیده بودند، مأمور ماندن در خط مقدم شدند و به محض تماس رومی ها با این واحدهای پیشتاز، اعراب به نیروی اصلی خود عقب نشینی کردند و آن ها را از حمله قریب الوقوع مطلع ساختند. رومی ها با کمال تعجب دیدند که دشمنانشان برای حمله آماده شده اند. با این حال، آن ها دستور داشتند و بنابراین روز دوم نبرد آغاز شد.
طرح رومی ها این بود که مرکز ارتش مسلمانان را مشغول نگه دارند و بر جناح های آن فشار وارد کنند. برای این منظور، حمله در مرکز نسبتاً منفعلانه بود. جناح چپ بیزانسی مستقیماً به جناح راست مسلمانان حمله کرد. دو تلاش اول برای شکستن خطوط ناموفق بود، اما بیزانسی ها از برتری عددی خود استفاده کردند: نیروهای تازه نفس به خط مقدم آمدند و حمله سوم اعراب را به عقب راند. برخی از آن ها به سمت اردوگاه خود عقب نشینی کردند و برخی به مرکز-راست پیوستند. این راه را برای ضدحمله سواره نظام جناح راست عرب باز کرد. حمله آن ها به اندازه کافی قوی نبود که رومی ها را به عقب براند، اما برای مدتی آن ها را مشغول نگه داشت و به پیاده نظام اجازه عقب نشینی داد. به زودی سواره نظام نیز نتوانست در برابر فشار مقاومت کند و عقب نشینی کرد.
منابع بعدی مسلمانان ذکر می کنند که همسران جنگجویان عقب نشینی کننده با سرزنش آن ها را به بازگشت به نبرد واداشتند. نمی دانیم این موضوع صحت دارد یا نه، اما جناح راست عرب تجدید سازمان کرد و به سمت دشمن نزدیک شونده حرکت کرد. در همین حال، جناح راست رومی که احتمالاً از بهترین پیاده نظام سنگین امپراتوری تشکیل شده بود، موفقیت بیشتری داشت. برخی منابع اشاره می کنند که آن ها در تشکیلات تستودو می جنگیدند، اما این احتمالاً یک نابهنگامی تاریخی است. در هر صورت، حمله اول یا دوم این گروه جناح چپ مسلمانان را به عقب راند و آن ها به سرعت به سمت اردوگاه عقب نشینی کردند. مشابه آنچه در سوی دیگر میدان نبرد اتفاق افتاده بود، سواره نظام مسلمان تلاش کرد با ضدحمله پیشروی دشمن را متوقف کند، اما ناموفق بود و سواران در مسیر بازگشت به اردوگاه به پیاده نظام خود پیوستند.
منابع بار دیگر ادعا می کنند که همسرانشان آن ها را به بازگشت به نبرد ترغیب کردند و حتی به شوهران خود سنگ پرتاب کردند. از آنجا که جناح راست رومی به دلیل زره سنگین تر کندتر حرکت می کرد، اعراب زمان بیشتری برای تجدید سازمان خط خود و حرکت به سمت رومی ها داشتند. یک ناظر دقیق ممکن است بپرسد چرا بیزانسی ها از این شکست ها با ریختن نیرو به شکاف های بین تشکیلات مسلمانان یا با دور زدن جناح راست دشمن با گسترش جبهه استفاده نکردند. در واقع، پاسخی برای این پرسش ها نداریم، اما می توان فرض کرد که سواره نظام تازه نفس مسلمان در مرکز و ذخیره احتمالاً مانع اولی شد، در حالی که دومی به دلیل این واقعیت خطرناک بود که اعراب قبلاً بارها از زمین های بیابانی برای دور زدن بیزانسی ها استفاده کرده بودند.
ظهر بود و خالد تا آن لحظه فقط نظاره گر نبرد بود، اما دیدن بازگشت جناح ها او را به اقدام واداشت و فرماندهی سواره نظام مرکز را بر عهده گرفت. ابتدا نیروی متحد سواره نظام او به سمت راست حمله کرد و لحظاتی پس از پیوستن به جناح راست، به جناح چپ دشمن حمله کرد. رومی ها انتظار حمله از جناح را نداشتند و مجبور شدند به مواضع اولیه خود عقب نشینی کنند و در این راه تلفات دادند. در جنوب، جناح چپ خلافت در آستانه درگیری با جناح راست بیزانس بود. در ابتدا اعراب در وضعیت بدتری قرار داشتند و در آستانه شکست و فرار مجدد بودند؛ با این حال، خالد در راه بود. او یک واحد از سواره نظام خود را برای بهره برداری از شکاف بین جناح راست و مرکز-راست دشمن فرستاد و بقیه را به جناح راست رومی زد. همانطور که اشاره شد، این بهترین پیاده نظام رومی بود، بنابراین بیش از همتایان خود مقاومت کردند و تلفات کمتری دادند، اما همچنان عقب نشینی کردند.
واحد سواره نظام اعزامی برای حمله به مرکز-راست رومی، آنها را غافلگیر کرد و موفق شد نفوذ کند و فرمانده این گروه را بکشد. رومی ها از غافلگیری خود بهبود یافتند و مهاجمان را به عقب راندند. با این حال، با دیدن عقب نشینی جناح های خود، مرکز نیز قطع شد و به مواضع آغازین خود بازگشت. هر دو طرف احتمالاً تلفات مشابهی متحمل شدند، که بیشتر تلفات عرب در هنگام عقب نشینی اولیه بود. جناح راست رومی بیشترین تلفات را داد و این در روز بعد اهمیت پیدا کرد، زیرا این گروه پیشروی خود را همراه با کل ارتش آغاز کرد اما به طور محسوسی قبل از رسیدن به ارتش دشمن متوقف شد، در حالی که تیراندازان دو طرف وارد یک مسابقه نیمه جان درگیری شدند. در همین حال، مرکز-راست رومی با اعراب درگیر شد، اما این حمله فقط برای مشغول کردن این بخش از ارتش مقابل بود. حمله اصلی متوجه جناح راست و مرکز-راست ارتش مسلمانان شد و اگرچه در ابتدا هجوم رومی ها کند شد، تعدادشان شروع به تأثیرگذاری کرد. مسلمانان شروع به عقب نشینی کردند، به ویژه در جناح راست، جایی که خط آن ها بار دیگر تا اردوگاه تحت فشار قرار گرفت. این امر به رومی ها اجازه داد فشار بر واحدهای منتهی به راست مرکز-راست مسلمانان را افزایش دهند و شروع به چرخش خط کنند. سپاه عمرو در نهایت تجدید سازمان کرد و به نبرد بازگشت، اما تمام تلاش های آن ها فقط توانست خط را تثبیت کند. سواره نظام عرب در خط دوم تلاش کرد رومی ها را دور بزند، اما قناطر سواره نظام خود را برای مسدود کردن این پیشروی حرکت داد.
با دیدن منفعل بودن جناح راست رومی، خالد نتیجه گرفت که جناح چپش در امان است و سواره نظام ذخیره را به راست منتقل کرد و به جناح رومی حمله کرد. فرمانده بیزانسی تلاش کرد نیروهای بیشتری از رده دوم خود را برای گسترش جبهه خود حرکت دهد و این برای مدتی جواب داد. با این حال، رومی ها اکنون عمق نداشتند و با خنثی شدن این مزیت، اعراب در سایر بخش های خط شروع به عقب راندن کردند. با نزدیک شدن به غروب، ادامه نبرد غیرممکن شد و مهاجمان قطع درگیری کردند و به خط اولیه بازگشتند. واضح است که رومی ها ناامید می شدند، زیرا انتظار داشتند در این مرحله از درگیری تعدادشان پیروز شود. در سه روز اول، رومی ها احتمالاً تلفات بیشتری دادند، اما هنوز از نظر تعداد بر دشمن برتری داشتند؛ در همین حال، برای خالد، نگرانی اصلی تلفات در میان تیراندازان یمنی و جناح راست بود.
طرح رومی ها برای روز بعد این بود که به نیمه راست ارتش خلافت حمله کنند تا آن را تقسیم و هر سپاه را جداگانه محاصره کنند، و سپس همین کار را با نیمه چپ انجام دهند. برای این منظور، جناح چپ آن ها به مسلمانان حمله کرد و به زودی جناح راست ارتش خالد بار دیگر به عقب رانده شد، اما نه به اندازه روزهای قبل. مرکز-چپ رومی که عمدتاً از ارمنی ها تشکیل شده بود، به همان اندازه در برابر مرکز-راست مسلمانان موفق بود. این بار نیروهای رومی توانستند این بخش از خط عرب را بچرخانند، که فضایی بین سپاه های آن ها باز کرد و سواره نظام سبک عرب مسیحی، که در ذخیره پشت مرکز مستقر بود، مأمور حمله به این شکاف شد. مسلمانان تلفات سنگینی می دادند و مشخص بود که خالد باید به منطقه برود تا مانع پیروزی رومی ها شود. قبل از انجام این کار، او به چپ و مرکز-چپ پیام فرستاد و به آن ها دستور داد پیشروی کنند و نیروهای مقابل خود را مشغول نگه دارند.
با این کار، فرمانده عرب سواره نظام خود را به دو نیم تقسیم کرد. یکی از آن ها به چپ حرکت کرد و از پهلو و پشت به ارمنی ها حمله کرد، در حالی که خالد شخصاً به سمت عرب های مسیحی حرکت کرد. ورود نیروهای کمکی به مسلمانان تحت فشار روحیه داد و آن ها ضدحمله کردند. نبرد در اینجا برای چند ساعت ادامه یافت تا اینکه در نهایت مسلمانان شروع به کسب برتری کردند. ارمنی های سنگین اسلحه و منظم که از سه طرف تحت فشار بودند، تلفاتی دادند اما همچنان توانستند به نسبت منظم عقب نشینی کنند. متحدان عرب مسیحی آن ها نتوانستند به خوبی از خود دفاع کنند و صدها نفر را از دست دادند قبل از اینکه بتوانند به موضع اولیه خود بازگردند. با دیدن عقب نشینی مرکز خود، جناح چپ رومی نیز قطع درگیری کرد.
با این حال، نیمه چپ ارتش مسلمانان هنوز درگیر نبرد تن به تن بود. در ابتدا اعراب برتری داشتند زیرا حمله آن ها رومی ها را غافلگیر کرد، اما فرماندهانشان نیروها را آرام کردند و به زودی آن ها را به عقب راندند. تعداد کم تیراندازان عرب باعث شکست آن ها شد، زیرا رومی ها در درگیری برتری داشتند. ظاهراً تیرها به نیروهای خلافت چنان آسیب زد که منابع بعدی عرب آن را "روز چشم های از دست رفته" نامیدند. ناتوان از مقاومت در برابر رگبار تیرها، اعراب شروع به عقب کشیدن کردند. اندکی بعد، رومی ها به دنبال آن ها آمدند. این حمله نیروهای مسلمان را به عقب راند و به فرار کامل واداشت. همه آن ها به جز واحد منتهی به چپ مرکز، که موفق شد گروه دشمن مقابل خود را درهم شکسته و به جناح راست مرکز رومی حمله کند. در نهایت این گروه تحت فشار قرار گرفت.
عقب نشینی مسلمانان در اطراف اردوگاه ها متوقف شد، اما رومی ها به تعقیب آن ها پرداختند. بر اساس منابع عربی، زنان مسلمان به برادران خود در نبرد با مهاجمان پیوستند. تأیید آن غیرممکن است، اما به نظر می رسد که در پایان روز چهارم نبرد، رومی ها یا عقب رانده شدند یا خودشان قطع درگیری کردند. هر دو طرف به شدت خسته و فرسوده بودند. برخی منابع اشاره می کنند که تلاشی برای مذاکره از سوی رومی ها صورت گرفت و اعراب آن را رد کردند. اما در هر صورت، ارتش ها ۱۹ اوت را به استراحت گذراندند. خالد فقط یک تغییر در تشکیلات داد. تمام سوارانش به یک گروه بزرگ پشت پیاده نظام جناح راست منتقل شدند، به جز یک واحد سواره نظام که به شمال به صحرا فرستاده شد.
در سپیده دم ۲۰ اوت - ششمین روز نبرد - هر دو طرف حمله کردند و در سراسر خط درگیر نبرد تن به تن شدند. پس از شروع درگیری، خالد بخشی از سواره نظام خود را با دستور حمله به جناح چپ رومی به جلو فرستاد، اما با نزدیک شدن آن ها، سواره نظام رومی به دور پیاده نظام خود چرخید و پیشروی را مسدود کرد. این لحظه ای بود که فرمانده عرب منتظرش بود، زیرا بقیه سوارانش به جلو حرکت کردند و از پهلو و پشت به سواره نظام رومی حمله کردند. به زودی سواره نظام رومی درهم شکست و اعراب به پیاده نظام حمله کردند که تحت حمله از سه طرف شکست خورد و شروع به عقب نشینی به سمت مرکز کرد. جناح راست مسلمان اکنون از پهلو و پشت به مرکز-چپ رومی حمله کرد. در همین حال، فرماندهان ارتش روم متوجه شدند که سواره نظام جناح چپشان توسط سواره نظام متحد عرب از میدان نبرد بیرون رانده شده است و سعی کردند با جمع کردن سواره نظام خود به آن پاسخ دهند. متأسفانه برای رومی ها خیلی دیر بود و قبل از اینکه بتوانند صف آرایی کنند، خالد به آن ها حمله کرد و آن ها را پراکنده ساخت. سواره نظام رومی نتوانست مدت زیادی مقاومت کند و به سرعت شروع به ترک میدان نبرد کرد.
در جبهه شرقی، ارمنی‌ها از حمله از دو طرف دفاع می‌کردند و در حال حاضر توانستند مهاجمان را دفع کنند. با این حال، پس از اینکه خالد با سواره‌نظام رومی برخورد کرد و مطمئن شد که آنها باز نخواهند گشت، سوارانش به پشت تشکیلات ارمنی‌ها حمله کردند. آنها تحت این حمله فروپاشیدند و شروع به عقب‌نشینی به سمت جنوب غرب کردند. اعراب خود را برای حمله به مرکز-راست و راست پیاده‌نظام رومی آماده کردند، اما قبل از اینکه این کار را انجام دهند، دومی خودش به سمت جنوب غرب، به سمت تنها گذرگاه رودخانه فرار کرد، در حالی که سواره‌نظام مسلمان راه عقب‌نشینی آنها را از شمال و پیاده‌نظام از شرق مسدود کرده بود. باقی‌مانده‌های ارتش روم امیدوار بودند که از وادی الرقاد عبور کنند، اما واحد ۵۰۰ نفری سواره‌نظام عرب که به صحرا فرستاده شده بود، در واقع مأمور مسدود کردن این گذرگاه بود. با درک اینکه در دام افتاده‌اند، افسران رومی تلاش کردند نوعی خط دفاعی تشکیل دهند، اما قبل از اینکه بتوانند این کار را انجام دهند، از شمال توسط سواره‌نظام و از شرق توسط پیاده‌نظام مورد حمله قرار گرفتند. این یک کشتار بود و هزاران نفر در این محاصره کشته شدند، در حالی که برخی واحدها با شنا از رودخانه‌ها عبور کردند. حدود نیمی از ارتش روم در دشت یرموک جان باختند، در حالی که مسلمانان کمتر از یک پنجم نیروهای خود را از دست دادند.
