Le 16 août, à 9 heures 1/2 du matin, la bataille commençait par l'attaque de la division de Forton qui se repliait devant des forces supérieures pour prendre position devant le bois de Villers, le dos à la chaussée romaine. Le corps d'Alvensleben se déploie alors suivant un grand arc de cercle enveloppant l'angle formé par le corps Frossard; de nombreuses batteries écrasent de feux la division Bataille qui a son chef grièvement blessé et se voit dans la nécessité de battre en retraite. Ce mouvement de retraite découvre la droite de la division Vergé qui recule à son tour derrière Rezonville; la brigade Lapasset put conserver ses positions.
Bazaine est au milieu du danger et dirige ses troupes avec un calme auquel le général de Rivières lui-même rend un éclatant hommage dans son rapport, et une intrépidité que le vaillant Bourbaki a taxée de témérité devant le conseil de guerre. Pour ralentir l'attaque des Prussiens, le maréchal fait avancer le 3e lanciers, puis les cuirassiers de la garde qui chargent avec un courage admirable et perdent vingt-deux officiers, deux cent huit cavaliers et deux cent quarante-trois chevaux. Pendant que la cavalerie se dévoue avec son abnégation ordinaire, les grenadiers et zouaves de la garde marchent rapidement sur Rezonville pour remplacer le corps Frossard. Mais avant leur arrivée, le maréchal Bazaine et le général Frossard ont failli être enlevés par une charge des 11e hussards prussiens et 17e hussards de Brunswick de la division Rheinbaben. Les grenadiers n'étant pas assez nombreux pour remplir l'espace laissé vide par les divisions Bataille et Vergé, on leur adjoint une brigade de la division Levassor-Sorval. Les voltigeurs de la garde, sous les ordres du général Deligny, quittent la Malmaison et se placent face au bois des Ognons pour protéger la gauche de la ligne de bataille que Bazaine croit, à tort, fortement menacée.
Vers les 2 heures de l'après-midi, il se passa un incident des plus remarquables qui mérite d'être signalé. Le général d'Alvensleben, dont l'infanterie était très-incommodée par des batteries du 6e corps établies le long de la chaussée romaine, prescrivit au général de Bredow de les faire taire avec sa brigade de cavalerie. En exécution de cet ordre, M de Bredow traverse la route de Verdun, en arrière de Vionville, forme sa brigade en deux échelons perpendiculairement à la voie romaine; trois escadrons du 7e cuirassiers constituent le premier échelon de gauche; trois escadrons du 16e uhlans l'échelon de droite. En un clin d'œil ils sont sur les batteries dont ils saluent les servants; puis ils traversent les lignes du 6e corps au milieu des fantassins étourdis d'une pareille impétuosité. Au moment où ils remontent sur leurs chevaux essoufflés la pente gauche du ravin de Gorze, le général de Forton les aperçoit et lance contre eux ses cuirassiers et ses dragons. Complètement entourés, les cavaliers prussiens sont taillés en pièces; sur plus de huit cents hommes, treize officiers, soixante-dix cuirassiers et quatre-vingts uhlans échappent seuls au carnage. Telle est, pour les Français, l'origine de la légende des cuirassiers blancs de Bismark détruits à Rezonville. Les Allemands appellent cette charge audacieuse la chevauchée de la mort.
Le 3e corps prussien et la cavalerie étaient à bout de forces quand; un peu après 2 heures, le corps Voigts-Rhetz arrivant à tire-d'aile de Thiancourt entrait en ligne pour sauver son voisin d'un désastre. La lutte acharnée, mais circonscrite autour de Rezonville, allait se transformer en une bataille gigantesque par l'arrivée successive de nombreux renforts qui vinrent prolonger la ligne de bataille sur une étendue de plus de 8 kilomètres, du bois des Ognons à la ferme de Greyères. Nous allons entrer dans quelques détails, car il a été beaucoup parlé à Trianon de tous ces mouvements et du retard que les corps Lebœuf et Ladmirault, qui avaient combattu à Borny, mirent à paraître sur le champ de bataille du 16.
Par suite de l'encombrement des routes, le 3e corps Lebœuf n'avait pu gagner Verneville dans la soirée du 15. Obligé de passer par le mauvais chemin qui, du ban Saint-Martin passe par le col de Lessy, remonte à partir de Châtel-Saint-Germain le ravin de ce nom jusqu'à hauteur de la ferme de Leipzig, d'où il gagne obliquement le village de Verneville, le maréchal Lebœuf avait arrêté ses soldats exténués à la nuit tombante. Les divisions Monlaudon, Aymard et Navral s'établirent pêle-mêle entre Verneville et le mont Saint-Quentin, la division Metman coucha au milieu des charrois de toute nature au ban Saint-Martin et à la maison de Planche sur la route de Thionville.
Le 16 août, à 11 heures du malin, la tête de colonne du 3e corps cheminait péniblement en avant de Verneville quand son chef entendit le canon de Rezonville. Aussitôt il dirige la division Aymard sur Saint-Marcel et la place à l'aile droite de Canrobert; la division Navral se range en bataille sur le prolongement de celle du général Aymard. A peine en position, ces deux divisions engagent une lutte des plus vives avec la brigade Lehmann du corps Voigts-Rhetz. Le maréchal Bazaine, toujours inquiet de sa gauche, arrête la division Monlaudon et l'envoie reconnaître le ravin d'Ars dans lequel, suivant la pittoresque expression du général, elle ne rencontra pas un chat.
Le général Ladmirault avait fait bivouaquer son corps d'armée à Woippy, à l'exception de la division Lorencez qui, conformément aux ordres fâcheux du commandant en chef, s'était empêtrée au col de Lessy au milieu des convois de l'administration. Parti au jour, Ladmirault prit sur lui de ne pas suivre le mauvais itinéraire qui lui était indiqué et se dirigea, précédé de sa cavalerie, par la bonne route de Saulny sur Saint-Privat-la-Montagne et Sainte-Marie-aux-Chèvres. Vers 11 heures, la division Grenier, arrivée à Saint-Ail, fut tout étonnée d'entendre une furieuse canonnade, car aucun avis ne lui était parvenu des graves événements qui se passaient sur la gauche de l'armée. Néanmoins, Ladmirault, en homme de cœur et d'expérience, modifia encore son itinéraire et, au lieu de marcher sur Doncourt, il marcha sans hésitation sur Bruville; en même temps, il fait prévenir le général de Cissey, dont les troupes se reposaient un peu à Sainte-Marie-aux-Chênes. Celles-ci accourent à marche forcée et suivent de près la division Grenier qui a déposé ses sacs pour aller encore plus vite. Un peu après 4 heures, les deux divisions du 4e corps occupent, en bel ordre de bataille, la crête un peu accidentée qui s'étend de Saint-Marcel à Bruville, et s'avancent de là vers la ferme de Greyères et Mars-la-Tour.
A la même heure, le corps Voigts-Rhetz tout entier vient appuyer la gauche d'Alvensleben et recueillir les débris de la brigade Lehmann écrasée. La brigade Wedell, composée des 16e et 57e d'infanterie prussienne, et qui faisait partie de la division Schwartzkoppen, marche sur la ferme de Greyères; écrasée par un feu terrible, elle tourbillonne et essuie des pertes fabuleuses: le 16e régiment a quarante-trois officiers sur quarante-huit et mille trois cent quarante et un hommes hors de combat; le 57e est presque aussi maltraité.
Pour sauver ce qui reste de cette malheureuse brigade, les dragons de la garde se dévouent et perdent à leur tour les deux tiers de leur effectif; avec les six escadrons qui chargèrent on put à peine en reconstituer deux le lendemain de la lutte. Le corps Ladmirault allait atteindre Mars-la-Tour quand le général de Redern réunit de vingt-sept à vingt-huit escadrons et se lança à corps perdu sur la droite des Français.
A la vue de cet ouragan de chevaux, le général Ladmirault appelle à lui toute la cavalerie dont il peut disposer; le brave Legrand du 4e corps arrive avec les 2e, 7e hussards et 3e dragons; du Barail avec son seul régiment, le 2e chasseurs d'Afrique; de France avec les dragons et les lanciers de la garde; enfin Lebœuf prête généreusement la division Clérembault, composée des 2e, 3e et 10e chasseurs, 2e et 4e dragons. A 6 heures eut lieu, aux environs de la ferme de Greyères, le choc à jamais mémorable de ces deux masses comprenant au moins neuf mille cavaliers de toutes armes. Le résultat désiré fut obtenu par les deux partis en présence: les Prussiens arrêtèrent la marche victorieuse des divisions Cissey et Grenier; nos cavaliers empêchèrent l'ennemi de déborder la droite française et de gagner la roule de Conflans alors encombrée de bagages et de chevaux de main. Néanmoins, il est avéré que le succès de la droite française était complet; les Allemands avouent qu'ils ont dû se rallier en arrière de Trouville, à une lieue de la roule de Verdun, et le général Ladmirault a déclaré au conseil qu'il espérait recevoir l'ordre de continuer la bataille le 17 au point du jour. Laissé sans instructions, il se replia à la nuit sur la hauteur de Bruville et y bivouaqua sous la protection de la division Lorencez qui venait enfin de le rejoindre. Entre minuit et une heure, il reçut l'ordre de battre en retraite sur Amanvillers.