המוסלמים ניסו להרוויח זמן על מנת שכוחות נוספים - יחידות קשתים ופרשים שלחמו בפרס - יצטרפו לצבא האסלאמי. תוספת כוח זו, שגודלה איננו ידוע, פעלה להקטנת הפער המספרי בין שני הצדדים. בנוסף לכך, החלישה ההמתנה את שורות הצבא הביזנטי משנתגלו קרעים בין היחידות השונות שהרכיבו אותו עד כדי שפיכות דמים, ואף נתגלו מקרים של עריקה של לוחמים ערבים. התפוררות זו כפתה על הפיקוד הביזנטי לעשות את הצעד הראשון ולצאת להתקפה.
קרב הירמוך.
הצבאות הלוחמים ניצבו זה מול זה, תוך שהם נעזרים בקניונים של יובלי הירמוך כמכשולים המגבילים את תנועת החיילות הניידים של האויב. אורך החזית, כ-13 קילומטר, מנע יצירת מבנה אחיד ורציף של המרכז והאגפים ויצר אפשרות לניהול קרבות נפרדים באופן סימולטני. האגף הימני של הצבא הביזנטי הורכב מחיל רגלים כבד, ששימש מחסום וציר להתקפות חיל הפרשים הביזנטי והגן על גבעה עליה חנה מפקד הקרב הארמני והאן, שפיקד ישירות על מרכז החזית הביזנטית, בעוד סגנו פיקד על האגף השמאלי. הכוחות הערביים-נוצריים, בעיקרם פרשים קלים, רכבו לפני הכוחות העיקריים כתצפיתנים וכיחידות מהירות שהטרידו את האויב.
המוסלמים, שעמדו במרחק של כקילומטר וחצי מהחזית הביזנטית, חילקו את צבאם, שהיה נחות מספרית מהצבא הביזנטי, לארבע אוגדות של חיל רגלים. שלוש יחידות פרשים הוצבו מאחורי מרכז החזית ויחידה נוספת הוצבה מאחור כעתודה טקטית. קשתים רבים הוצבו לאורך כל החזית.
התיעוד ההיסטורי של הקרב מועט ומהימנותו מוטלת בספק. מהלכי הקרב אינם ברורים ומהלכו מעורפל, עד כדי הצבת סימן שאלה לגבי משך העימות כנטען במקורות היסטוריים אסלאמיים - שישה ימים רצופים. זמן זה נראה ארוך מאוד לעימות שנערך אך ורק בכלי נשק המופעלים בכוח השרירים האנושיים. החוקר האמריקאי וולטר קגי מציין כי ככל הנראה קרב הירמוך היה למעשה סדרה של התנגשויות בין הצבאות, שנמשכה לאורך כחודש, עד לסיום הדרמטי ביום ה-20 באוגוסט.
תיאור הקרב שלהלן מבוסס על מבנה של שישה ימי לחימה ונתמך על ידי חלק מההיסטוריונים המודרניים שפרסמו מחקרים על הקרב ובהם דייוויד ניקול, ג'ורג נפזיגר, אכרם אגא איברהים והחוקר הירדני יוסוף גוואנמה.
יום הקרב הראשון.
קרב הירמוך החל ב-15 באוגוסט בשעות הבוקר. אלופים משני הצדדים יצאו מהשורות והחלו בלחימה אחד עם השני, שנמשכה עד לשעות הצהריים. בשלב זה נכנסו לקרב יחידות רגלים וקשתים ביזנטיות שתקפו לאורך החזית, ככל הנראה במטרה לבחון את רוח הלחימה האסלאמית ולהעריך את כוחם לאורך החזית. הלחימה נמשכה עד לשקיעה, מבלי שיושגו הבקעה או שינוי במאזן הכוחות.
יום הקרב השני.
עם עלות השחר של יום 16 באוגוסט, יום הקרב השני, תקפו הביזנטים לאורך כל החזית כשהם מפתיעים את המוסלמים בעיצומה של תפילת השחר שלהם. עיקר משקל ההתקפה התרכז באגפים, תוך כדי שהמרכז הביזנטי מעסיק באש את מרכז החזית של המוסלמים. מטרת התמרון הייתה, ככל הנראה, למוטט את האגפים האסלאמיים וללכוד את הצבא האסלאמי בתנועת מלקחיים. לאחר שלושה ניסיונות התמוטט האגף האסלאמי הימני תחת המהלומות הביזנטיות והחל בנסיגה תוך שהכוחות הביזנטיים שוטפים חלק ממחנות המוסלמים. זמן קצר לאחר מכן התפורר האגף השמאלי והחל בנסיגה איטית. משהגיעו הלוחמים המוסלמים בריצה למחנה הם נתקלו בנשותיהם, שבצעקות ולעיתים במכות, הכריחו אותם לסוב ולחזור ללחום בביזנטים. הנסיגה נעצרה וח'אלד - המפקד המוסלמי העליון - שלח את עתודת הפרשים להתקפת נגד, תחילה באגף הימני ולאחר מכן באגף השמאלי. התקפה זו הספיקה לשבור את ההתקפה הביזנטית ולייצב את החזית האסלאמית. יום הקרב הסתיים כאשר שני הצדדים תופסים את עמדותיהם המקוריות.
בעניין זה העיר הקצין הבריטי ר. פ. אנדרסון בספר ההיסטוריה הפופולרית שחיבר ב-1873 כי הסיבה העיקרית לניצחון האסלאמי בקרב הירמוך היה העידוד והדחיפה שנתנו הנשים ללוחמים המוסלמים ופחדם של הללו מזעם נשותיהם.
יום הקרב השלישי.
ביום הקרב השלישי, 17 באוגוסט, המשיך הצבא הביזנטי ביוזמה ההתקפית. הפעם כיוון עיקר ההתקפה היה אל הצד הצפוני של החזית, שבו היה לפרשים הכבדים הביזנטים חופש פעולה יחסי. תוכנית ההתקפה הביזנטית הייתה - ככל הנראה - למוטט במהירות צד אחד של הקו האסלאמי על ידי התקפה מרוכזת, ולאחר מכן לרכז את מלוא תשומת הלב למקטע הדרומי. עוצמת ההתקפה הביזנטית הצליחה לקפל את הקו האסלאמי ולגרום לנסיגה, ששברה את החזית, תוך שהיא חושפת את האגף הדרומי למתקפה דו-כיוונית מצד הצבא הביזנטית. גם במקרה זה נעצרה המנוסה האסלאמית על ידי נשות הלוחמים. על פי האגדה, צעק אחד הלוחמים הערבים "קל יותר להילחם ברומי (הביזנטים) מאשר בנשותינו".
ההתקפה הביזנטית נעצרה, ולאחר קרבות מרים ואבדות כבדות לצבא האסלאמי נהדפה לאחור על ידי עתודת הפרשים המוסלמים.
יום הקרב הרביעי.
יום הקרב הרביעי, ה-18 באוגוסט, החל כחזרה על אירועי יום הקרב השלישי. המפקד הביזנטי והאן החליט לנצל את ההצלחה היחסית של תוכנית ההתקפה על האגף הצפוני של קו החזית האסלאמי, ככל הנראה מתוך תקווה להפתיע את המוסלמים במהלך בלתי צפוי מחד ולהכות במקום שבו ספגו הכוחות הערביים אבדות כבדות. פני הקרקע ואופייה של זירת הקרב לא אפשרו ביצוע של מהלכים שונים מאלו שנוסו על ידי הביזנטים בימי הקרב הראשונים. עם זאת, בתום הקרב התברר כי בחירתו של והאן במהלך זה הייתה שגויה. המוסלמים היו מוכנים ולמדו את לקח יום הקרב הקודם, מתקפת הנגד שלהם לא רק הדפה את המתקפה הביזנטית, אלא גם שינתה את המומנטום של הקרב.
ההתקפה הביזנטית הראשונית הצליחה לחדור דרך קו החזית האסלאמי וקרבות עזים התחוללו בין הגייסות הארמניים, בשיתוף לוחמים ערבים-נוצרים, ללוחמים המוסלמים, מבלי שהביזנטים יצליחו לגרום להתמוטטות הכוחות האסלאמיים. בשלב זה תקפו המוסלמים את המרכז הביזנטי בסיוע חלק מעתודת הפרשים, בעוד שאר העתודה חוברת לכוחות הלוחמים בביזנטים ותוקפת אותם מהאגף. הארמנים והע'סאנים מצאו עצמם מותקפים משלושה כיוונים. בשלב זה הופרדו הפרשים הביזנטים מחיל הרגלים והחלו בורחים משדה הקרב - תחת לחץ אסלאמי, וללא חיפוי מחיל הרגלים והקשתים שהתחייב מתורת הלחימה הביזנטית. חיל הרגלים שנותר לבדו היה חשוף להתקפות הפרשים והרגלים המוסלמים, אך הצליח לסגת, תוך שהוא סופג אבדות קשות. החוקר האמריקני וולטר קגי מציין כי ייתכן שהפרשים הביזנטים ניסו לבצע תמרון "ערבוב" מסובך שמקורו בספר "סטרטגיקון", ומשנכשלו, נפרדו הפרשים מהרגלים, והכוח התוקף חדל מלהתקיים כגוף קוהרנטי אחד. התמרון מחייב את המבנה המצופף של הרגלים לפתוח את שורותיהם על מנת לאפשר לפרשים לעבור דרכם לחזית, ולאחר מכן מחייב את הרגלים לסגור שורות על מנת למנוע חדירה של כוחות אויב. תמרון זה, הקשה לביצוע על מגרש המסדרים, הופך לבעייתי בהמולת הקרב.
חיל הפרשים הביזנטי, שהיה מורכב מבני שבטים ערבים נוצרים, נתקל תוך כדי נסיגתו במארב של יחידת פרשים אסלאמית שארבה מאחורי אחד התלים המשקיפים על שדה הקרב והחל להתפורר תוך כדי מנוסתו. חלק מהלוחמים הביזנטים ערק לצד המוסלמים, חלק הושמד, וחלק אחר מצא מקלט בכפרים הסמוכים לאזור הקרב. ההתפוררות של היחידות הערביות הביאה לבריחה ועריקה של יחידות ערביות נוספות - החשובה שבהן שמרה על הגשר היחיד מעל ואדי רוקד. הפרשים המוסלמים, בהדרכת אחד העריקים, תפסו את הגשר בקלות וניתקו את נתיב הנסיגה של הצבא הביזנטי, שבשלב זה ניסה לנתק מגע ולחזור לעמדות של תחילת יום הקרב.
עיתוי אירוע תפיסת הגשר על אפיק הרוקד איננו ברור. חוקרים בני זמננו חלוקים בדעתם מתי נתפס הגשר על ידי המוסלמים. החוקר הפקיסטני מייג'ור גנרל אכרם אגא איברהים טוען כי הגשר נתפס במהלך איגוף שנערך ביום הקרב השישי. דייוויד ניקול, בהסתמך על עבודתו של ההיסטוריון הירדני יוסוף גוואנמה מאוניברסיטת אל-ירמוכ הירדנית, קובע כי, ככל הנראה, הגשר נתפס במהלך יום הלחימה הרביעי. מחלוקת נוספת - שלא הוכרעה - מייחסת את מהלך תפיסת הגשר לתוכנית קרב מסודרת של המצביא המוסלמי, או לחלופין לניצול הזדמנות במהלך התפרקות ההתקפה הביזנטית. ההיסטוריון דייוויד ניקול קובע את היום הרביעי לקרב כנקודת המפנה בה בוצע מהלך הכיתור - מבלי לפרט את הסיבה לקביעתו זו.
בשלב כלשהו של יום הלחימה נפתחה חזית נוספת ונערכו קרבות עזים בין המרכז הביזנטי לאגף הדרומי-מרכזי של הצבא האסלאמי, בעקבות ניסיון ביזנטי להכריע את הקרב ולנצל את ההזדמנות שהעתודה האסלאמית הייתה עסוקה בקרבות באגף הצפוני. הביזנטים ניצלו את יתרונם בשימוש בקשתים וערכו התקפה מרוכזת של יחידות הפרשים-קשתים על הקווים האסלאמיים. קרב זה זכה לשם "יום העיניים האבודות", על שם העיניים המנוקרות של הלוחמים המוסלמים שלחמו מול הביזנטים ללא תמיכה של חיל פרשים. מערך ההגנה המוסלמי נשבר, ויחידות מוסלמיות שלמות אבדו במטר החצים הביזנטי. בשלב זה של הלחימה יצאו הנשים המוסלמיות מתוך מחנות הצבא הערבי, הצטרפו לכוחות הלוחמים ובלמו את ההתקפה הביזנטית.
יום הקרב הסתיים בתשישות של שני הצדדים, אך בשינוי מהותי - חלק גדול מהכוח הביזנטי נותר לכוד וללא יכולת לנסיגה מסודרת בין ערוצי נחל רוקד, נחל הירמוך ונחל עלאן.
יום הקרב החמישי.
ביום הקרב החמישי שבתו שני הצדדים מלחימה, תוך שהם מתכוננים למהלך שיכריע את הקרב. המצביא הביזנטי והאן ניסה להיכנס למשא ומתן עם המצביא המוסלמי ח'אלד על נסיגה אסלאמית או הפרדת כוחות, אך הצד האסלאמי, שהבין כי המומנטום של הקרב נוטה לכיוונו וכי היתרון הטקטי נמצא בידו, דחה על הסף את הפניות הביזנטיות. לאחר מכן, כינסו שני הצדדים את יחידות הפרשים לגוף אחד כהכנה למתקפה המכרעת.