Come sua consuetudine, Caravaggio si discosta dall'iconografia tradizionale di Sant'Orsola, generalmente ritratta coi soli simboli del martirio e in compagnia di una o più vergini sue compagne. Il pittore sceglie invece di raffigurare il momento stesso in cui la principessa, avendo rifiutato di concedersi all'unno Attila, viene da lui trafitta con una freccia, il che carica la scena di un tono squisitamente drammatico.
Il dipinto è ambientato nella tenda di Attila, appena discernibile grazie al drappeggio sullo sfondo, che funge quasi da quinta teatrale. L'intero ambiente è permeato da un complesso gioco di luci e ombre che, tuttavia, in quest'ultimo dipinto dell'artista sembra dar vantaggio più alle seconde che alle prime, probabilmente specchio del travagliato periodo che l'autore stava vivendo nella parte finale della sua vita.

Il primo personaggio a sinistra è Attila, raffigurato con abiti seicenteschi; il barbaro ha appena scagliato la freccia e pare essersi già pentito del suo gesto tant'è che sembra quasi allentare la presa sull'arco mentre il suo volto è contratto in una smorfia di dolore.
A poca distanza da lui c'è sant'Orsola, trafitta dalla freccia appena visibile sul suo seno: ella piega la testa in quella direzione e con le mani sta spingendo indietro il petto come per meglio vedere la ferita del suo martirio. Non sembra provare dolore, piuttosto una disinteressata rassegnazione; ma il suo volto e le sue mani, molto più bianchi rispetto a quelli degli altri personaggi, preludono alla sua immediata morte. Infatti tre barbari, anch'essi in abiti moderni (uno indossa addirittura un'armatura di ferro), stanno accorrendo a sorreggere la santa, increduli di fronte al gesto repentino e impulsivo del loro capo. Nelle fattezze di quello di loro che si trova alle immediate spalle di sant'Orsola Caravaggio ha raffigurato se stesso con la bocca dischiusa e l'espressione dolorante, come ad esser stato trafitto insieme a lei.
Le tre figure riemerse alla luce dopo il restauro del 2025, tutte maschili, sono un soldato unno che si trova proprio alla destra del capo barbaro, un misterioso personaggio con un cappello, e un altro uomo di Attila, vicino a Orsola.