Атака галлов была стремительна и сразу же сокрушила строй римлян. Лишь резервы некоторое время продержались на холме, остальные же, едва заслышав крики сбоку и с тыла, обратились в бегство раньше, чем увидели врага. Как сообщает об этом позорном бегстве Тит Ливий, «никто не погиб в сражении, все убитые были поражены в спину, когда началась давка, а толчея затрудняла бегство». Страшная резня произошла на берегу Тибра, куда, побросав оружие, бежали все воины левого фланга. Многие кидались в воду, где под тяжестью доспехов погружались в пучину.

Паническое бегство привело к тому, что ворота Рима оказались даже не запертыми, а многие бежали прямиком в Вейи, уверенные, что Рим обречён. И только изумление галлов от собственной молниеносной победы и боязнь какого-либо подвоха спасли Рим от немедленного штурма и гибели граждан. Битва при Аллии навсегда осталась чёрной страницей в славной истории побед римского оружия.