Благодаря победе карфагенское войско выросло до 40 тысяч человек, так как часть галлов из римской армии перешла к Ганнибалу. Римское войско во главе с раненым консулом Корнелием Сципионом отошло к городу Плаценции, где соединилось с подоспевшими свежими войсками. Римляне заняли хорошо укрепленную горную вершину на берегу реки Треббия. Эта местность изобиловала холмами и не была удобной для карфагенской кавалерии. Теперь с учетом войск Семпрония Лонга у римлян было 32 тысячи пехоты и четыре тысячи кавалеристов, а у карфагенян – 10 тысяч кавалеристов и 30 тысяч пехоты. Между двумя консулами, руководителями римской армии, возникли противоречия. Сципион считал, что нужно уклоняться от боя, но честолюбивый Тиберий Лонг стремился к схватке.
Ганнибал и его брат Магон также переправились через реку По и достигли Плаценции, где стояли римляне. Несколько дней спустя Ганнибал укрепился лагерем в шести милях от Плаценции, а на следующий день, выстроив войско в виду римлян, предложил им битву. Ночью около двух тысяч пехотинцев и 200 всадников из числа галлов добровольно перебежали к Ганнибалу.
В предстоящей битве Ганнибал проявил большую изобретательность в изучении особенностей и слабостей неприятеля. Ему донесли, что Семпроний Лонг отличается нетерпеливостью и тщеславием, и он решил использовать это. Всей римской армией командовал Тиберий, так как Сципион был ранен в битве при Тицине. Римские легионы перешли реку Треббию вброд (при этом очень сильно замерзли и ослабли) и построились на равнине. Ганнибал поставил в центре пехоту, на флангах – сильную ударную конницу. Пехоту прикрывали боевые слоны. Накануне битвы Ганнибал приказал всем воинам подкрепиться пищей, натереться маслом, потом возле костров надеть доспехи и оружие.
Битва началась со столкновения легкой пехоты с обеих сторон. Ганнибал послал вперед более опытных балеарских стрелков, а Семпроний Лонг – юных пехотинцев. Сразу обнаружилось, что римские воины уступают карфагенским, так как они замерзли и устали от стычек, в которых участвовали с самого утра. Теперь в бой вступили тяжело вооруженные воины, а боевые слоны задержали наступление римлян на флангах. Теперь в центре римляне стремительно врезались в боевые порядки галльской пехоты. Тогда нумидийская конница опрокинула конницу римлян и обрушилась на фланги римской пехоты.
Успех этой операции был тщательно подготовлен Ганнибалом. Он заставил римлян поверить в легкую победу и выйти на открытую местность, где Ганнибал и использовал преимущество своей армии в коннице. В действиях участвовали лишь четыре тысячи римских всадников и около 10 тысяч карфагенян. Карфагенские слоны, шествовавшие впереди конницы по краям, наводили ужас на римских воинов. Все это привело к бегству римской конницы. Хотя римская пехота почти не уступала в силе и храбрости карфагенской, но в бой она вступила, едва держась на ногах. А когда отряд Магона из засады ударил римлянам в тыл, то в их рядах началась паника. Таким образом, римляне были разбиты. Из-за холода карфагеняне потеряли много вьючных животных и почти всех слонов, кроме одного (на нем позже Ганнибал пересекал Клузийские болота). Карфагеняне преследовали римлян только до реки.