Wkrótce wojska Vandamme'a zaatakował Barclay de Tolly - korpusy rosyjskie księcia Eugeniusza Wirtemberskiego i Miłoradowicza uderzyły na prawe skrzydło i centrum, natomiast austriacki korpus dowodzony przez Colloredo zaatakował lewe skrzydło. Gdy Vandamme, chcąc za wszelką cenę utrzymać swą pozycję do czasu nadejścia posiłków, rzucił do walki wszystkie odwody, niespodziewanie zaatakował go od tyłu cofający się spod Drezna korpus pruski Friedricha von Kleista. Próba jednoczesnego odparcia ataku od przodu i z tyłu nie powiodła się. Tylko część kawalerii francuskiej i jedna dywizja piechoty zdołaly wyrwać się z potrzasku i dołączyć później do Saint Cyra. Reszta korpusu wraz z całą artylerią dostała się do niewoli. Klęska pod Kulm zniweczyła sukces, jakim było dla wojsk napoleońskich zwycięstwo pod Dreznem.
Francuzi stracili w bitwie około 5000 zabitych i rannych, a ponadto 7–13 tys. żołnierzy francuskich dostało się do niewoli, łącznie z Vandammem. Sprzymierzeni stracili 11 000 zabitych i rannych.