A király nem akarta elkapkodni a Sajón való átkelést, a nyugati oldalon vert tábort, és valószínűleg másnap akarta egy döntő ütközetben legyőzni az ellenséget. Tudta, hogy a tatárok egyik legnagyobb erőssége a rendkívüli mozgékonyság, ezért a csapatait együtt tartva táboroztak le, szekérvárral védve magukat. Másnap elsősorban ez a beszorított helyzet okozta a sereg vesztét, bár sok történész szerint önmagában még nem minősült hibának a tábor kialakítása, sőt, több szempontból indokolt volt Béla helyszínválasztása.

Egy magyarokhoz szökött orosz („rutén”) rab hírt hozott a tatárok támadási tervéről. A király öccse, Kálmán és az ország egyik érseke, Ugrin az általuk vezetett egységgel meglepték a Sajó hídján átkelő tatárokat, és valószínűleg komoly veszteséget okoztak az ellenségnek. Az biztos, hogy visszatérésre késztették őket.

A csatáról később a kínai évkönyvek is beszámoltak. Ezek alapján sok tatár harcos halt meg a hídnál zajló első ütközetben, a kán vértes testőrségéből is többen elestek, sőt Batu az egyik vezérét, Bakatut is elvesztette. Szintén a kínai forrás számol be arról, hogy a kán már a hadművelet felfüggesztésén gondolkodott, de Szübetej (Szubodáj) átkaroló támadásra beszélte rá őt. Carpini, tatároknál járt pápai követ is beszámolt egy olyan dombról, ahová a magyar hadjárat során elvesztett harcosaik tömegeit temették el. A halottak nagy részét vélhetően a muhi csatahely környékéről vihették haza a tatárok.

„Éjféltájban meg is érkeztek a hídhoz, és íme a tatárok egy része már át is kelt rajta. Mikor a magyarok meglátták őket, tüstént rájuk rohantak, és velük elég vitézül harcolva, legtöbbjüket megölték, másokat meg a hídhoz szorítva a folyóba fullasztottak."
(Spalatói Tamás)

A legtöbb áldozat végül mégis a magyarok közül került ki, mivel Batu kán elfogadta vezére javaslatát, és az újabb, de most már sikeres éjszakai támadást vezetett. Kálmán hercegék sajnos a hídnál kivívott győzelmüket túlértékelték, döntő ütközetnek gondolták és a hídőrség kivételével nyugovóra tértek, pedig a nehézlovas katona csak felöltözve, csatasorba állva tudta katonai erejét érvényesíteni. A hídőrség egy kisebb ellenséges erővel szemben talán sikeresen védekezhetett volna, de ott a kán vezette a tatárok támadását, a nomád harcosok pedig más helyeken is átkeltek a Sajón.

Ezzel a lehetőséggel a magyarok nem számoltak. Sejbán erői gázlót találtak, Szübetejnek ez nem sikerült, így késéssel ugyan, de erői egy alkalmi híd segítségével átjutottak a folyón. A magyarok részéről ezután még történt egy reménytelen kísérlet az ellenség megállítására. A csatáról szóló egyes későbbi írások (tankönyvek, diákoknak szóló könyvek) az első, Sajón való tatár átkelési kísérlethez hasonlóan ezt az ellenállást is kihagyják, úgy állítva be a csatát, hogy az csak a tábor bekerítéséről és az ezt követő mészárlásról szólt, bár kétségtelen, hogy ez volt az ütközet legfontosabb része. A tábor védelmében Kálmán és Ugrin vezetésével vállaltak harcot a kisebb erők, illetve ekkor véreztek el az oldalunkon küzdő templomos lovagok is. A tatárok ezt követően bekerítették a magyar szekértábort.

„Nyáj módjára szűk akolba rekesztették magukat."
(Batu kán a Muhi csatában elpusztult magyar seregről)

A szűk helyen, a sűrű nyílzáporban a magyar hadsereg nem tudott hadrendbe állni, a harcot bizonyára nehezítette a pánik is. A tatárok utat nyitottak a menekülőknek, abban a reményben, hogy így a királyt könnyen kézre keríthetik. A magyar haderő vereségének és veszteségének mértékét mutatja, hogy a csatatéren maradt az ország mindkét érseke, továbbá három püspök, a nádor, az országbíró és számos más egy házi és világi előkelő. A király és a sereg egy része azonban sikeresen kitört.

„És úgy feküdtek a testek a földön, mint a legelésző marhák, juhok vagy sertések csordái a pusztán vagy az építkezésekhez kifaragott kövek a kőbányában."
(Rogerius)

Batu hadaival közel egy időben más tatár erők is betörtek. Három irányból érkezve Erdélyt és az Alföld keleti részét pusztították, míg az északi szárny Lengyelország (Kis-Lengyelország, Szilézia), Morvaország feldúlását követőenelfoglalta a Dunától északra fekvő területeket (Felvidék egy részét).

1241 végére az északi és keleti országrészben a mongol hódítók voltak az urak. IV. Béla pedig családjával együtt először Frigyes osztrák herceghez, majd Dalmáciába menekült.

1242. január második felében a tatárok egyesült serege Batu kán vezetésével átkelt a befagyott Dunán. A megtámadott települések közül Esztergom és Székesfehérvár vára, valamint a pannonhalmi monostor tudta sikeresen visszaverni az ostromot. Nem sokkal ezután a hódítók váratlanul kivonultak az országból.