Ωστόσο, το τμήμα του Βιλεαρδουίνου φαίνεται ότι υπερτερούσε αριθμητικά. Συνολικά, η συμμαχική στρατιά δεν γνωρίζουμε πόσους άνδρες διέθετε ακριβώς. Πρέπει πάντως να υπερτερούσε ελαφρώς από την αντίστοιχη βυζαντινή. Όταν η συμμαχική στρατιά συγκεντρώθηκε κίνησε κατά του Ιωάννη. Ο Ιωάννης όμως είχε εμπειρία πολεμική και ανέπτυξε έξυπνα τους άνδρες του στην πεδιάδα της Πελαγονίας. Ήταν καλοκαίρι του 1259. 

Ο βυζαντινός στρατός αναπτύχθηκε στους χαμηλούς λόφους, γύρω από τον κάμπο. Στους λόφους τάχθηκαν αποσπάσματα βαρέως πεζικού, με το βαρύ ιππικό ανάμεσά τους, ως ευκίνητο σύνδεσμο. Εμπρός από τα βαριά στρατεύματα τάχθηκαν, σε διάταξη ακροβολισμού, τμήματα ελαφρού ιππικού, μισθοφορικού και ελληνικού και οι ελαφρά οπλισμένοι πεζοί, κυρίως τοξότες και σφενδονήτες.Οι συμμαχικές δυνάμεις τάχθηκαν απέναντι από τους Βυζαντινούς, μη τολμώντας όμως να επιτεθούν. Έτσι οι αντίπαλοι στρατοί στρατοπέδευσαν ο ένας απέναντι του άλλου. 

Αυτή η εξέλιξη εξυπηρετούσε απόλυτα τα σχέδια του  Ιωάννη Παλαιολόγου, ο οποίος ήθελε να καταπονήσει τους αντιπάλους του, χωρίς ο στρατός του να υποστεί απώλειες. Εκμεταλλευόμενος την ταχύτητα και την ευελιξία των ελαφρών του στρατευμάτων άρχισε να παρενοχλεί συνεχώς τη συμμαχική στρατιά.

Αναφέρει παραστατικά ο Γεώργιος Ακροπολίτης: “Εκείνους που ήταν κατάφρακτοι και έφεραν θώρακες τους έταξε στα οχυρά σημεία. Τους δε ελαφρά οπλισμένους, που ήσαν πιο ευκίνητοι, τους έταξε στην πεδιάδα, για να πολεμήσουν εκεί με τον εχθρό. Αυτοί δε ήταν Σκύθες –Κουμάνοι– και Τούρκοι, αλλά και πολλοί από τα γένη των Ρωμαίων οι οποίοι ήταν έμπειροι στη χρήση του τόξου και μπορούσαν να πλήξουν εκ του μακρόθεν τους αντιπάλους.  Άρχισαν μάλιστα τη μάχη από ένα σημείο, που είχε το όνομα λόγγος Βορίλλα, επιτιθέμενοι συνεχώς στους αντιπάλους και μη επιτρέποντάς τους να ησυχάσουν ούτε τη μέρα, ούτε τη νύκτα.

Η γλαφυρή περιγραφή του Ακροπολίτη, είναι αποκαλυπτική του τρόπου που διεξάγονταν οι συγκρούσεις. Τα ελαφρά στρατεύματα του Βυζαντινού Στρατού καταπονούσαν συνεχώς, με μικροεπιδρομές τους συμμάχους, μη επιτρέποντάς τους ούτε να ηρεμήσουν, ούτε να αναπαυθούν, ούτε καν τα άλογα τους να ποτίσουν. Επίσης, με συνεχείς επιδρομές κατέστρεφαν τις εχθρικές εφοδιοπομπές.

Ανίκανοι να αντιδράσουν σοβαρά, οι σύμμαχοι, είχαν περιέλθει σε μια άκρως εκνευριστική κατάσταση. Ο εκνευρισμός όμως έχει ως αποτέλεσμα τον ακόμη μεγαλύτερο εκνευρισμό και τις διαφωνίες. Έτσι άρχισαν σύντομα οι διαμάχες μεταξύ Ελλήνων και Λατίνων συμμάχων.
Διάσπαση της συμμαχίας

Οι πηγές της εποχής αναφέρουν ότι οι Λατίνοι καθημερινά είχαν φραστικές συγκρούσεις με τους Έλληνες συμμάχους τους, λόγω της αλαζονείας τους και της αίσθησης υπεροχής που είχαν. Έφτασαν μάλιστα να παρενοχλήσουν ακόμα και τη σύζυγο του γιου του δεσπότη της Ηπείρου. Ο Νικηφόρος, αυτό ήταν το όνομά του, εκνευρίστηκε πολύ και παραλίγο να ξεσπάσει μάχη μεταξύ των ανδρών του και των Λατίνων.

ο ίδιο βράδυ ο δεσπότης Μιχαήλ και ο γιος του, Νικηφόρος, εγκατέλειψαν τους Λατίνους και έφυγαν κρυφά. Μαζί τους αποχώρησε και ένα μέρος τους στρατού τους. Αρκετοί άνδρες τους όμως έσπευσαν να ενταχθούν στον στρατό του  Ιωάννη, καθώς κανείς  δεν συμπαθούσε τους Λατίνους.

Η εξέλιξη αυτή θα έπρεπε φυσιολογικά να θορυβήσει τον Βιλεαρδουίνο. Αυτός όμως, υπερόπτης και αλαζόνας καθώς ήταν θεώρησε πως ήταν καλύτερα που έφυγαν οι Έλληνες –τους οποίους οι Λατίνοι ονόμαζαν υποτιμητικά «γκριφόν», δηλαδή σκυλιά– αφού οι ιππότες του ήταν έτσι και αλλιώς ανίκητοι. Ο Ιωάννης όμως είχε αντίθετη άποψη και τώρα, ενισχυμένος και με τους Ηπειρώτες αυτόμολους, επιτέθηκε με το σύνολο της στρατιάς του, έχοντας ως εμπροσθοφυλακή τους 300 Γερμανούς ιππότες.

Οι Γερμανοί δέχτηκαν αμέσως την αντεπίθεση του άνθους της ιπποσύνης της Αχαΐας. Ακολούθησε φρικτή σύγκρουση. Ο διοικητής των Γερμανών, ο γενναίος δούκας της Καρίνθιας, σκοτώθηκε. Οι Λατίνοι όμως δεν χάρηκαν για πολύ. Το ελαφρύ ιππικό του Ιωάννη τους περικύκλωσε –καθώς ως συνήθως όρμησαν άγρια, αλλά ασύντακτα εμπρός, κατά το «ιπποτικό ιδεώδες της Δύσης»– και τους εξόντωσε. Κατά δεκάδες οι ιππότες του Μωριά έπεφταν από τα άλογά τους και κατακόπτονταν από το βυζαντινό πεζικό.

Το πεζικό των Λατίνων, από την άλλη, μόλις είδε την καταστροφή των ιπποτών, δεν στάθηκε να πολεμήσει, αλλά τράπηκε σε άτακτη φυγή, μαζί με τον Βιλεαρδουίνο και μερικούς ακόμα ιππότες που είχαν επιζήσει. Οι Βυζαντινοί τους καταδίωξαν, πολλούς τους σκότωσαν και ακόμα περισσότερους τους αιχμαλώτισαν. Ο Βιλεαρδουίνος κρύφτηκε σε μια θημωνιά, αλλά οι στρατιώτες τον εντόπισαν και τον αιχμαλώτισαν, χωρίς να γνωρίζουν ποιος είναι. Όταν τον πήγαν στον Ιωάννη εκείνος κατάλαβε ποιον είχε μπροστά του από τα μεγάλα του δόντια που προεξείχαν του στόματός του. 

Στο μεταξύ η καταδίωξη συνεχίστηκε μέχρι τον Πλαταμώνα, όπως αναφέρουν οι Βυζαντινοί χρονικογράφοι. Ουσιαστικά, ο λατινικός στρατός αφανίστηκε στο σύνολό του, με τις κεφαλές του –τον Βιλεαρδουίνο, τον βαρόνο της Καρύταινας και άλλους ευγενείς– να οδηγούνται σιδεροδέσμιοι στον αυτοκράτορα Μιχαήλ. Επίσης αιχμαλωτίστηκαν και οι 393 από τους 400 Ιταλούς ιππότες που είχε στείλει ως ενίσχυση ο βασιλιάς της Σικελίας. Τους ιππότες αιχμαλώτισε ο μέγας δομέστιχος, Αλέξιος Στρατηγόπουλος και οι άνδρες του.

Η νίκη ήταν εξαιρετικά σημαντική. Ο Ιωάννης συνέχισε τη νικηφόρα πορεία του, απελευθερώνοντας το μεγαλύτερο μέρος της Ηπείρου, ολόκληρη σχεδόν τη Θεσσαλία και φτάνοντας μέχρι τη Θήβα. Παράλληλα, ο αυτοκράτορας Μιχαήλ εκμεταλλεύτηκε την αιχμαλωσία των Λατίνων ηγετών, απαιτώντας ως λύτρα για την απελευθέρωσή τους 3 οχυρά κάστρα στην Πελοπόννησο, τα κάστρα του Μιστρά, της Μαίνης (Μάνης) και της Μονεμβασιάς. Από εκεί ξεκίνησε το έπος του Δεσποτάτου του Μιστρά και της απελευθέρωσης της Πελοποννήσου από τον φραγκικό ζυγό.