双方准备了5个多月，首先进行7天的炮击，虽然几乎完全摧毁德军第一阵地，部分摧毁第二阵地，但失去了进攻作战在战术上应保持的主动性。英国第4集团军(由罗林森将军指挥)从马里库尔至埃比泰恩25公里正面向巴波姆方向实施主要突击，由英国第3集团军第7军在其左翼掩护;法国第6集团军(由法约勒将军指挥)从罗西耶尔以北索姆河两岸向佩罗讷方向实施辅助突击。当日，法军和英军右翼突破德军第一道阵地，但英军左翼为德军壕沟阵地所阻。英军采用密集队形突击， 遭德军马克沁机枪的强大火力杀伤，损失近6万人。 7月2—3日，英军右翼和法军攻占德军第二道阵地，法军一度占领巴尔勒、比阿什等德军防御要地。

此后数日，由于德军投入预备部队以及英、法联军本身在突破战术和指挥调度方面存在着严重缺点(对各地区的突击规定繁琐，限制了军队的主动性等)，以致推进缓慢。德军指挥部又投入新一波预备部队，为便于指挥，将第2集团军分编为由贝洛将军指挥的第1集团军和加尔维茨将军指挥的第2集团军。并在防御上加长纵深，构筑了补充防御地区。 7月中旬，英、法联军仅向前推进数公里，未达成作战的预期目标。 7月底至8月中旬，英、法联军将其部队增强至51个师、飞机增加至500架;而德军增加到31个师、飞机增到300架，由于作战的迟缓、胶著，遂转变成为消耗战。

9月3日起，法国米舍莱将军的第10集团军、英国加夫将军的第5集团军分别投入战斗，战场正面范围扩大到50公里宽的战线。德军增强至40个师，又不停加强阵地的防御工事。因此英、法军队的推进速度平均每昼夜仅有150至200米。英军第一次使用新式兵器——坦克(共49辆坦克，实际参战仅18辆)，配合步兵进攻，推进了4至5公里。这是战争史上第一次使用坦克，对守备方的德国步兵产生了心理震撼，使他们放弃阵地不战自退。

但由于坦克的技术与装备尚未完善，加上战线宽广(10公里18辆坦克)，仍然没有达成打开突破口的作战目标。战术层级的运用成功并未能引导作战胜利。虽然英军后来又使用了两次坦克，同样收效不大，倒让德军开始学习如何对付敌方这个庞然巨物。在正面狭窄的地段上，接连实施多次突击来突破阵地防御的战术，成效不大，而且极有可能耗损巨额兵力。此外，这场战役促使其他强权国家开始装备坦克等类型的阵地突破用重型器械，并发展反制兵器，带动并启发了一战间期与第二次世界大战期间各国军工业的蓬勃发展。

进入秋季后，气候开始恶化，由于阴雨连绵、道路泥泞，战斗渐渐平息，到了11月完全停止，英、法两国的作战计划宣告失败。索姆河战役是第一次世界大战中典型的、双方伤亡皆极为惨重的阵地战。不论是双方所投入的兵力、兵器，都是本次大战中最大的战役。英军投入作战有54个师，法军32个师，德军为67个师。英、法联军伤亡79万4千人，未能突破敌方防御，仅推进5—12公里。德军损失53万8千人，虽然失去240平方公里的壕沟阵地，却成功拦截了协约国的战略目标。

但进攻方在西南战线的胜利仍使得战局的主导权逐渐从德国移向协约国一方。从政治角度来看，索姆河之战更是直接导致了政府内阁的更迭。大卫·劳埃德·乔治被任命为英国新首相，新内阁宣布成立，年轻的丘吉尔也是成员之一。