В 16 часов по приказанию Лесли шотландская армия спустилась с высот и расположилась в боевом порядке за ручьем Брок. Правый ее фланг примыкал к морю, а левый оказался между обрывистым берегом ручья и высотой. Конница находилась на флангах, а пехота в центре.
Кромвель и Ламберт наблюдали за движением противника и поняли, что шотландцы намерены их атаковать.
Главный удар намечалось нанести по правому флангу шотландцев силами конницы под командованием Ламберта, а по их левому флангу сосредоточить огонь артиллерии.
Ночью под проливным дождем английские войска построились в боевом порядке, имея на флангах конницу и в центре пехоту. За левым флангом находился сильный резерв конницы под командованием Кромвеля. На правом фланге в районе охотничьего домика заняла позицию артиллерия, орудия которой были хорошо замаскированы.
В 4 часа утра 3 сентября, когда ветер несколько разогнал туман и показалась луна, пехота и конница левого крыла армии Кромвеля успешно форсировали ручей Брок и атаковали противника. Хотя нападение англичан и было внезапным, однако шотландцы успели стать в строй и отразили их первую атаку.
Кромвель приказал артиллерии открыть огонь по левому крылу боевого порядка противника, а коннице своего правого крыла спешить на помощь левому крылу. Затем он стал во главе трех кавалерийских полков, составлявших резерв, и атаковал противника, охватывая его правый фланг во взаимодействии с пехотой. В результате этой атаки враг был отброшен к высотам.
Боевой порядок шотландцев был расстроен, и они уже не могли оказать организованного сопротивления. В 5 час. 30 мин. армия Лесли дрогнула и началось паническое бегство. Шотландцы потеряли 3 тыс. убитыми, 10 тыс. пленными, всю артиллерию и обоз. Потери англичан составили 20–30 человек убитыми.
Вскоре после боя при Денбаре армия Кромвеля заняла Эдинбург. В руках англичан оказалась Южная Шотландия, но шотландцы и роялисты продолжали сопротивляться. Лесли удалось собрать новые силы.
Оказавшись отрезанным от своей базы, Кромвель не спасался бегством на судах, а атаковал противника, несмотря на его двойное численное превосходство и занимаемую им выгодную позицию.