Утром 28 июня 937 года войско союзников, на ходу перестраиваясь в боевые порядки, приблизилось к Брунанбургу. Ательстан расположил свои силы на обширном поле между заливом Хамбер и лесом. На левом фланге, у воды находились отряды западных саксов и нормандских наемников под общей командой королевского брата Эдмунда. Правый фланг, командование которым было поручено канцлеру Туркейлю, составляли воины из Мерсии, Суссекса и лондонцы. Наемные исландцы, числом 300 человек, образовали резерв.
Обе стороны одновременно бросились в атаку, и сражение сразу приняло крайне ожесточенный характер. Сотнями валились убитые. Союзники не досчитались 12 конунгов, ярлов и племенных вождей. Ательстан потерял двоюродных братьев Эльвина и Этельвина. Погибли два епископа, два элдормена и множество знатных англичан.
После многочасового боя правому флангу англо-саксонского войска удалось расстроить ряды бившихся против него под командой Константина III шотландцев и пиктов. Намереваясь окончательно разгромить их ударом во фланг, предводители исландцев Торольв и Эгиль повели своих людей по опушке леса в обход. В этот момент из чащи на них набросились стоящие в засаде отряды бриттов во главе с Адильсом. Эгилю удалось навести порядок среди дрогнувших было после гибели его брата воинов, и бритты, также потерявшие своего вождя, обратились в бегство. Тем временем Константин III, отступая в беспорядке, обнажил правый фланг союзного войска, где норвежцы Олава Реде противостояли западносаксонским отрядам Эдмунда. Окруженные с трех сторон викинги сумели, однако, не взирая на тяжелые потери, пробиться к своим кораблям и отплыть от берега.
Блестящая победа произвела на современников сильнейшее впечатление и была увековечена в одном из шедевров англо-саксонской героической поэзии, песне «Битва при Брунанбурге»:
В это лето
Альтестан державный,
кольцедробитель
и брат его, наследник
Эдмунд в битве
добыли славу
и честь всевечную
мечами в сече
под Брунанбургом…
Король Ательстан, удостоившийся почетного прозвища «Победоносный», пережил свой триумф лишь на два года. Уже в самом начале правления его брата Эдмунда (939–946 гг.) англо-саксонской державе довелось испытать ужасы нового нашествия норвежцев, возглавляемых все тем же Олавом Реде. Викинги захватили Нортумбрию, а затем их отряды наводнили Мерсию и Восточную Англию.
Вторжение в южные области королевства удалось предотвратить только благодаря активной посреднической деятельности Йорского и Кентерберийского архиепископов. По условиям выработанного противоборствующими сторонами мирного соглашения, все земли севернее Темзы переходили под власть Олава Реде с предоставлением ему королевского титула. Юг Англии оставался за Эдмундом. После смерти одного из королей другой должен был унаследовать его владения.