Le 29 mars, alors que les maréchaux Marmont et Mortier sont arrivés dans les environs de Charenton et que leur collègue Moncey doit protéger la ville elle-même, les coalisés, qui comptent près de 180 000 hommes, toutes unités confondues, avancent rapidement en trois colonnes, chargées d'asphyxier Paris par la rive droite.

La colonne de droite, sous le commandement de Blücher, est formée par le gros de l'armée de Silésie et compte en particulier les corps de Yorck, de Kleist et de Langeron ainsi que l'infanterie de Vorontsov. Forte de 90 000 Prussiens et Russes, elle a traversé la Marne en repoussant les divisions Compans et Ledru des Essarts au-delà de Claye, s'avance par la plaine Saint-Denis et stationnera bientôt devant Clichy et Montmartre qu'elle aura charge d'attaquer. La colonne du centre, formée des corps de Raïevski, des gardes et des troupes de réserve de Barclay de Tolly, est constituée de 60 000 Russes et Prussiens ; le tsar et le roi de Prusse l'accompagnent. Elle a franchi la Marne à Meaux et doit se diriger vers le plateau de Romainville. La colonne de gauche est composée de 30 000 Austro-Wurtembergeois commandés par le prince de Wurtemberg, qui, arrivant par Lagny, sont chargés de s'emparer de Charenton. Une fois la Marne passée à Meaux, elle doit longer la rivière jusqu'à Neuilly-sur-Marne ; elle devra traverser le bois de Vincennes pour s'emparer des hauteurs de Charonne et du Trône. Enfin, les corps de Sacken et du comte de Wrede sont toujours à Meaux et à Coulommiers où ils doivent parer à toute éventuelle attaque de Napoléon.

Dans la soirée du 29, Langeron prend possession du Bourget, Yorck est à Aulnay et Vorontsov s'empare de Villepinte où Blücher installe son quartier général.

Face aux armées coalisées, les troupes françaises occupent trois positions : à droite, les hauteurs de Belleville, de Ménilmontant et de la butte Saint-Chaumont (aujourd'hui les Buttes-Chaumont) ; au centre, le canal de l'Ourcq ; à gauche, la zone qui s'étend de Montmartre à Neuilly.

Finalisé dans la soirée du 29, le plan des coalisés prévoit que les troupes attaqueront dès 5 heures du matin : la colonne de droite devra s'emparer de la butte Montmartre, celle du centre, du plateau de Romainville et des hauteurs de Belleville, tandis que la colonne de gauche, s'avançant entre Charenton et Vincennes, devra prendre la barrière du Trône, alors défendue par six compagnies de grenadiers de la garde nationale et les élèves de l'Ecole Polytechnique dotés de 28 canons.

Le 30 mars, à 5 heures, Marmont qui, venant de Saint-Mandé, marche rapidement, porte une première attaque contre les troupes coalisées : il avance vers Romainville pour s'emparer du plateau tenu par les Russes de Raïevski. Pour le soutenir, Mortier fait intervenir son artillerie depuis La Villette et bientôt, alors que la cavalerie de Belliard tient la plaine Saint-Denis, Pantin est pris par les jeunes conscrits héroïques, les "Marie-Louise" de Boyer de Rébeval. Dans cette phase de la bataille, les coalisés combattent avec lenteur, sans efficacité. Mais à partir de 8-9 heures, les assauts se font plus incertains : Pantin est repris par les Russes, puis de nouveau par les Français. Ces derniers parviennent à contenir l'avancée des unités russes dirigées par Raïevski, voire par endroits à les faire reculer.

Pendant ce temps, Mortier, qui devait initialement occuper l'espace situé entre La Villette et Montmartre et qui a dépêché plusieurs de ses unités pour soutenir la gauche de Marmont, se trouve démuni : il ne lui reste plus, pour défendre les portes de Paris, que la seule division Christiani, laquelle vers 9-10 heures s'établit à La Villette et à La Chapelle. Cependant, dans la vallée de l'Ourcq, les troupes françaises résistent vaillamment aux régiments de cuirassiers russes. La première moitié de la matinée est donc plutôt favorable aux Français, et cela d'autant plus que Blücher lui-même n'est pas encore entré en lice : le 30 il n'a reçu qu'à 7 heures du matin l'ordre expédié de Bondy la veille à 23 heures qui lui intimait de se porter contre Montmartre dès 5 heures.

Vers 11 heures, le prince de Wurtemberg progresse de manière substantielle : il prend Montreuil, Vincennes, Charenton et Bercy et vient à bout des jeunes artilleurs polytechniciens qui se battent à la barrière du Trône. À midi, les premières réserves russes et prussiennes conduites par Barclay de Tolly se jettent à leur tour dans la bataille : 9 000 grenadiers russes se portent sur Romainville et Montreuil, tandis que Pantin est pris par la garde royale prussienne vers 13 heures. Vers 14 h 30, les coalisés lancent une attaque générale visant à s'emparer de toutes les positions sur les flancs de Marmont ; Blücher attaque le bas de Montmartre, tandis que Schwarzenberg cherche à reprendre Romainville ; les combats pour le plateau sont durs : par six fois les hommes de Marmont repoussent les assauts des troupes russes mais ils s'y épuisent. Parallèlement, Le Pré-Saint-Gervais est attaqué, et les divisions Compans et Boyer de Rébeval, contraintes de se replier sur Belleville, abandonnent presque toute leur artillerie ; à La Villette et à La Chapelle, la division Christiani subit les assauts des corps de Kleist, d'Yorck et de Vorontsov ; bientôt l'infanterie de Langeron, après s'être emparée d'Aubervilliers, de Saint-Ouen et de Clichy, attaque Montmartre : les coalisés sont aux portes de la capitale. Les troupes de Mortier se replient alors sur la barrière de Clichy où elles retrouvent les gardes nationaux de Moncey ; toutefois, si les combats vont faire rage devant la barrière, les généraux coalisés n'y donneront pas l'assaut : le tsar a en effet expressément défendu de se porter en avant des barrières et de les attaquer.

Alors que ses troupes reculent sur tous les points et que ses pertes sont proportionnellement plus sévères que celles de l'ennemi - près de 9 000 morts et disparus de part et d'autre, pour des effectifs français deux fois moindres -, Marmont se résout vers 16 heures à envoyer aux coalisés trois parlementaires - dont un seul arrivera vivant jusqu'aux lignes ennemies - chargés de négocier un armistice.