Самата битка е част от Българската военна слава. Рано сутринта на 21 октомври българите потеглят в три колони към Голям Палас в търсене на контакт с противника. Към 10 ч. предните части на двете войски се сблъскват край шосето за Фатово. Българският авангард отстъпва в безредие, но турците не го преследват. С пристигането на останалите части на 21-ви полк Серафимов нарежда нападение срещу турците (6 табора и 1 батарея), заели гористо възвишение. Атаката няма успех до момента, в който дясната колона (около 1 000 души с 6 оръдия, начело с подполковник Илия Врачев) минава през село Аламидере и заема безпрепятствено височините вляво и в тил на противника. Турските резерви контраатакуват неколкократно, но са отхвърлени. В това време и другият турски фланг е разбит в резултат на щикова атака на българите. Това води до общо отстъпление на турците след 8-часови боеве. Планът на османския командир за обхождане на българските войски се проваля, тъй като таборът, натоварен със задачата, закъснява. След поражението си турците отстъпват на южния бряг на Арда и с малки изключения повече не застрашават района. Ден след битката, на 22 октомври, войските на Серафимов овладяват почти без съпротива Голям Палас и Смилян. Бойните действия затихват за около две седмици. В началото на ноември българските войски преминават в настъпление, изтласкват окончателно османците от Родопите и до средата на месеца завладяват териториите до бреговете на Егейско море.

В битката при Аламидере загиват 35 българи. 75 са ранени, а 22 са безследно изчезнали. Точни сведения за турските загуби липсват, но само убитите са над 180.