Rzymianie następnie podjęli nocny marsz, by wymknąć się z okrążenia, ale wpadli w kolejną pułapkę przygotowaną przez Arminiusza u stóp wzgórza Kalkriese (w pobliżu dzisiejszego Osnabrück). Wzdłuż drogi, gdzie urządzono zasadzkę, wzniesiony był ziemno-kamienny mur, zza którego Germanie bezpiecznie mogli razić przeciwników. Rzymianie w desperacji próbowali dokonać frontalnego ataku na mur, ale nie byli w stanie go sforsować.

Ostateczny atak Germanów dokonał zagłady: podczas trwających trzy dni i dwie noce walk poległy trzy rzymskie legiony. Spośród około 20 tysięcy legionistów i kilku tysięcy ludzi służb pomocniczych i towarzyszących cywilów ocalało tylko kilkunastu żołnierzy, którzy zdołali uciec przez bagna, a kilkuset dostało się do niewoli. Zrozpaczony Warus, nie mogąc przebić się w stronę Renu, popełnił wraz ze swymi oficerami samobójstwo.

Po bitwie Na wiadomość o klęsce Warusa cesarz Oktawian August miał zawołać: „Kwinktyliuszu Warusie, oddaj legiony” (). Przesądność Rzymian spowodowała, że po tej klęsce żaden z rzymskich legionów nie miał już oznaczenia jako XVII, XVIII i XIX.