不过，对明军而言，平局就意味着失败，因为明军号称“50万”，而瓦剌仅有3万人，双方在战场对峙下去，明军后勤的压力会比瓦剌大得多，况且，明军很难在对峙的状态下安全撤离战场返回中土，这是由于古代通讯设备落后等诸多原因，任何的阵前撤退都很难是有秩序的撤退，极有可能导致军心动摇，而最终演变成一场各人争先恐后逃跑的大溃败（历史上因阵前撤退而溃败的例子有著名的淝水之战）。因此，明军唯一的选择是：只有战胜敌人，才能平安撤离蒙古草原。
双方经过几个回合的较量之后，明军逐渐获得主动，开始兵分两路发起进攻了，左哨的宁阳侯陈懋，协同左掖的成山侯王通强攻敌阵的右边。瓦剌拼命抵挡，稳住了阵脚。这时候，左哨的都督朱崇（陈懋的副手）、指挥吕兴带领将士手持火器逼近敌阵，一轮接一轮地射击。瓦剌伤亡惨重，其阵脚已经被打乱了，但仍然顽抗到底。
右哨的丰城侯李彬协同右掖的都督谭青及其副手都督马聚，强攻瓦剌阵营的左边。双方将士混战在一起，战斗已经白热化。不久，马聚受伤，都指挥满都力战死。朱棣在远处望见战局一时陷入胶着状态，便亲自率领重骑兵再次发起进攻，加入战团，力图打破僵局。前锋将领刘江干脆下马手持短兵器步战，突入阵中，消灭了很多敌人。
在明军的全线攻击之下，瓦剌抵挡不住，终于崩溃了，将士们四散而走。朱棣不肯就此罢手，继续指挥部属追击。
当追击的明军越过两座山冈之后，再次与重新集结起来的一部分瓦剌将士发生遭遇战。瓦剌人抵挡不住，又溃散了。右哨的丰城侯李彬等人一直追到土剌河，在那里生擒了数十名敌人，另外，中军副将孙亨嗣也俘获了战马3000匹。不过，瓦剌首领马哈木、太平等人则成功逃跑了。当朱棣收兵回营时，已经是深夜了。
第二天，诸将要求继续对瓦剌展开追击。朱棣听从了皇太孙的意见，认为穷寇莫追。
其实，朱棣完全有能力对瓦剌军队展开大规模、长时间、远距离的追击。虽说忽兰忽失温之战结束之后，明军与瓦剌都有伤亡，但人多势众的明军承受伤亡的能力比瓦剌大得多。然而，朱棣却选择了撤退，原因是明军在忽兰忽失温地区作战时，后路始终在阿鲁台所部的潜在威胁之下。当时阿鲁台的根据地可能在呼伦贝尔一带，距离明军仅有几天的路程，他原来声称要与明军一起讨伐瓦剌，可是最后却失约了。
