До тех пор, пока фаланга находилась в оборонительных порядках, прорвать ее строй было затруднительно. Однако, при Магнесии она была обречена. Как показывал опыт многих сражений, удары во фланг и тыл имели катастрофические последствия для любых античных армий, если они заранее не подготовили резервы для отражения таких атак. Фалангисты и находившиеся за ними слоны попытались отступить к лагерю. Некоторое время им удавалось продвигаться назад, но римляне продолжали наседать с разных сторон. Наконец, по Ливию, атака тяжелой римской пехоты сумела нарушить строй фаланги, что привело к ее бегству. Способ атаки легионеров можно реконструировать путем сравнения с битвами римско-македонских войн. При штурме Атрака в Фессалии (198 г. до н. э.) македонская фаланга защищала пролом в стене и вынуждена была стоять на месте. Сменяющие друг друга римские когорты забрасывали противника пилумами, атаковали с мечами, откатывались и возобновляли попытки опрокинуть врага (Liv.XXXII.17.12–15). В начале сражения при Пидне (168 г. до.н. э.) римляне атаковали, а македоняне втыкали сариссы в их щиты и не давали приблизиться. Отряд пелигнов с мечами безуспешно пытались протиснуться между сариссами (Plut.Aemil.19–20).
Не совсем ясна роль слонов в сражении. Ливий описывает столкновение с ними после упоминания обстрела фаланги легионерами, но при этом пишет так, как если бы слоны стояли в промежутках фаланги. Между тем, по Аппиану, фаланга сомкнулась после отхода легковооруженных. По Ливию, римляне использовали опыт, накопленный в африканской экспедиции 204–201 гг. до н. э. Пехотинцы уклонялись от столкновения с животными, метали в бока пилумы. Они старались подобраться к слонам сзади, чтобы подрубить мечами сухожилия. Проникновение легионеров в промежутки фаланги до отхода слонов кажется сомнительным. Они не могли бы держать строй и могли подвергнуться удару в тыл со стороны фалангистов. Описание Ливия больше подходит к бою перед строем фаланги. То, что слонов в начале битвы выдвинули вперед, следует из Зонары (Zonar.IX.20). В то же время Аппиан упоминает о бегстве слонов уже после начала отхода фаланги, причем его рассказ допускает предположение, слонов победили легковооруженные и всадники римлян. Вероятно, речь идет о разных этапах сражения. Остается также неясным, что делали слоны, стоявшие за сирийской конницей на обоих флангах.
Пока все это происходило в центре, Аттал, брат Евмена, поспешил к римскому лагерю на выручку левому флангу с отрядом из 200 (Ливий) или 400 (Аппиан) всадников. В этот момент Антиох наконец прекратил бой у лагеря и повернул назад. Воины Антиоха без труда отбросили и рассеяли отряд Аттала, но к моменту их возвращения на поле битвы уже ничего нельзя было изменить. Царь бежал в направлении Сард. Бой еще шел у селевкидского лагеря. Охрана лагеря и часть отступающих воинов оказала упорное сопротивление в воротах и перед валом. На некоторое время они остановили противника, но римляне, жаждущие добычи, все же смогли сломить их оборону и ворвались внутрь. По Аппиану, это произошло еще до бегства Антиоха, по Ливию, — после него. В лагере и за его пределами пошла резня. Воины Антиоха, смешавшиеся с верблюдами, колесницами и слонами, в беспорядке бежали. Обезумевшие слоны не слушались вожаков и топтали своих. Пергамская и римская конница преследовали врага, убивая всех, кого настигали (Liv.XXXVII.43.5-11; App.Syr.36).
Ливий сообщает, что Антиох потерял убитыми 50 тыс. пехотинцев и 3 тыс. всадников. Ему следует Евтропий. В плен, по Ливию, попало 1400 человек и 15 слонов с погонщиками. По Аппиану, было убито и взято в плен до 50 тыс. человек. Юстин пишет о 50 тыс. убитых и 11 тыс. пленных. У римлян, по Ливию, погибло 24 всадника, не более 300 пехотинцев и 25 воинов Евмена. Аппиан пишет то же самое, только потери Евмена он снижает до 15 всадников. Ливий также упоминает о большом количестве раненных римлян (Liv.XXXVII.44.1–2; App.Syr.36; Just.XXXI.8.7). Сообщая эти цифры, Ливий употребляет слово "говорят". Античные историки обычно использовали этот оборот в тех случаях, когда не были уверены в правильности информации. Аппиан добавляет, что всех римлян убил Антиох, подразумевая конницу его правого фланга. Несомненно, потери селевкидской армии были велики и основная их часть приходится на время бегства. Сведения о потерях римлян сомнительны, но принципиально непроверяемы. Дело в том, что у римлян не было налаженной отчетности о потерях войск в ходе военных операций. В Риме более или менее представляли только суммарную убыль войск за год, включавшую все боевые и небоевые потери. Эти сведения были нужны, так как в начале каждого года сенат принимал решение о количестве подкреплений, посылаемых в различные армейские группировки. Иногда сенат посылал комиссия в армию. Наиболее полные сведения об этом относятся ко времени 3 Македонской войны (171–168 гг. до н. э.). Армию в Греции тогда проверяли три раза. Одна комиссия расследовала причины и последствия поражения на юге Иллирии в 170 г. до н. э. (Liv.XLIII.11.2, 9-11), вторая разбирала причины безрезультатности кампании 170 г. до н. э. в Македонии (Liv. XLIII.11.2). Третья выясняла нужды армии и флота перед началом решающей кампании 168 г. до.н. э., а также численность противника и настроения греческих союзников (Liv. XLIV.18.2–5). Нет ни одного случая проверки донесений победоносных полководцев. С отдаленных фронтов они могли сообщать, что им было угодно. В случае кампании 190 г. до н. э. мы не можем даже оценить убыль личного состава за год. В начале кампании 189 г. до н. э. на восток были направлены две группы подкреплений. Численность каждой составляла 12 тысячи пехоты и 600 конницы (Liv.XXXVII.50.2–4). Одна из них формально предназначалась для пополнения азиатской армии, вторая для армии в Этолии. На практике часть войск, предназначенных для Азии, могли использовать в Этолии, так как армию там предстояло фактически сформировать заново. Остается неясным, сколько из 25200 воинов реально прибыло в Азию.