2 августа сражение развернулось с наибольшей силой. Девлет-Гирей бросил главные силы («многие полки») на гуляй-город, чтобы освободить Дивей-мурзу. Противники вступили «в бой насмерть». Татары наступали в конном строю и даже, против обыкновения, спешившись, пытаясь разломать укрепления гуляй-города, где засел князь Хворостинин со стрельцами и немецкими наемниками. Стрельцы и немцы стойко отражали врагов, которые уже хватались «за стену руками»; побили многих и «рук татарских бесчисленно обсекли». Другие русские отряды притворным отступлением заманивали татар под огонь замаскированных пушек. Вокруг гуляй-города росли груды татарских тел, кровь текла рекой.

В то время как гуляй-город изматывал основные силы орды, князь Воротынский с Большим полком, скрытно двигаясь по дну лощины, вышел в тыл ханскому войску. Дождавшись, когда татарский натиск стал ослабевать, Воротынский подал условный сигнал. Из гуляй-города раздался залповый огонь изо всех орудий и пищалей; вслед за тем князь Хворостинин со стрельцами и наемниками «вылез» из укреплений и атаковал татар. Одновременно с тыла на орду навалился Большой полк. «И сеча была велика…» Зажатые в клещи, татары были разбиты наголову. Потери орды были огромны; в бою были убиты все ближайшие родственники Девлет-Гирея — его сын, внук и зять.

Ночь развела сражающихся. Наутро, оставив в тылу 5-тысячный заслон, хан обратился в паническое бегство. Русские преследовали его по пятам, гоня перед собой татарский арьергард, который почти весь нашел смерть на берегах Оки, — одни были убиты, «а иные в воду вметались да потонули…».

Разгром орды был полный. Летописец говорит, что Девлет-Гирей «ушел с соромом», «пошел в Крым скоро наспех» — «не путьми, не дорогами, в мале числе», потому что большая часть его войска погибла: в родные степи вернулось всего 20 ООО татар. Велики были и потери турецких янычар. Курбский пишет, что «турки все исчезоша и не возвратился, глаголют, ни един в Константинополь». Русским досталось множество пленных и трофеев — шатры, знамена, обоз, артиллерия и личное оружие хана. Воеводы держали татар в таком напряжении от первого до последнего дня вторжения, что огромная ханская рать не причинила почти никаких разрушений пограничным областям — у нее просто не было на это времени.