После дневной передышки, 2 августа 1572 года Девлет Гирей повел войска на решительный штурм. Русские войска в Гуляй-городе изготовились к бою. Им оставалось только победить или умереть, в укреплении заканчивалась вода и продовольствие, в пищу забивались обозные лошади, было много раненых. Да и «огненный бой», то есть порох и ядра, был не бесконечен. Крымчаки в ожесточенном бою полностью истребили около трех тысяч стрельцов, защищавших подножие холма, на котором стоял Гуляй-город. Русская конница с трудом отразила попытки крымчаков охватить укрепление с флангов.
Потери с обеих сторон были огромны, поле и холм были устланы трупами людей и лошадей. А диковинный русский город, гуляющий сам по себе, все стрелял и стрелял. Ближе к вечеру разъяренный Девлет Гирей приказал бросить на штурм турецких янычар, а всадникам спешиться и идти вместе с ними. Турецкие янычары и крымчаки пошли на приступ. Залпы пушек и пищалей пробивали бреши в их рядах, но они все шли валом. Но самый страшный момент боя был еще впереди. Наконец, турки и крымчаки добрались до стен Гуляй-города, стали рубить щиты саблями, раскачивать телеги в попытках их опрокинуть, многие воины пытались схватиться за края щитов и перебраться внутрь. Стрельцы рубили их по рукам: «и руки поотсекли бесчисленно много» – отмечает летопись подробность этого ужасного побоища.
Воротынский понял, что наступил момент для решительного контрудара. Он тайком, по лощине вывел Большой полк из Гуляй-города и внезапно ударил в тыл крымчакам. Одновременно, сделав мощный залп из пушек, Хворостинин ударил из самого Гуляй-города. Крымское войско дрогнуло и побежало. Русская конница ринулась в преследование, бежавших рубили на ходу. После целого дня кровавого боя, угоревшие от порохового дыма и охваченные радостной яростью, русские воины в плен не брали.
Девлет Гирей оставил заслон из трех тысяч воинов и поспешил на юг, к переправе через Оку. Скача без отдыха, загоняя лошадей, он уже ночью на 3 августа перешел реку. Русская конница крымский заслон изрубила и рассеяла. Хан оставил еще один заслон на самой переправе, но и он был также уничтожен. Паника и бегство хана довершили разгром – было убито и взято в плен множество воинов, взяты обоз, лошади, пушки. Полная победа!
6 августа 1572 года гонец доставил царю в Новгород трофеи: крымский лук, две сабли и саадак со стрелами. Скорее всего, они принадлежали самому хану и были брошены им в ставке. Это было зримое доказательство одержанной победы.
