Переправившись через Днепр, русские захватили небольшой отряд монгол, это их воодушевило, и они быстро двинулись на преследование монгол. Монголы отступали, но, дойдя до реки Калки, остановились и приготовились к встрече русских. Русские князья, видя, что монголы подготовились к бою, решили немедленно атаковать их. Руководящая роль среди русских князей принадлежала галицкому князю, Мстиславу Удалому. Он, не посоветовавшись с князьями, решил честь поражения монгол присвоить себе и приказал волынским и галицким войскам и половцам двинуться вперед, переправиться через Калку и атаковать.
Переправившиеся через Калку русские и половцы были встречены сильной стрельбой из луков всех калибров. Половцы пришли в замешательство и бросились бежать обратно. Молодой волынский князь Даниил был тяжело ранен и должен был с дружиной также отступать.
Бегство половцев привело к расстройству дружин, остававшихся на местах. Монголы, преследуя бежавших половцев и отступивших русских, атаковали дружины черниговского князя, смяли их. Киевский князь занимал укрепленный лагерь и успешно оборонялся.
Половцы и дружины других русских князей, преследуемые монголами, стали отступать в сторону Днепра. Монголы, оставшиеся против киевского князя, стали убеждать его выйти из лагеря, обещая ему свободный отход в свои земли. Князь согласился, но при выходе из укрепленного лагеря дружина была атакована и перебита, а князь с зятем и сыном погибли мучительной смертью, под досками, на которых танцевали пирующие монголы.
Дружины волынского и галицкого князей с большими потерями достигли Днепра и под сильным обстрелом монгольских лучников должны были совершать переправу, чтобы укрыться за Днепром. В числе понесенных потерь было убито шесть князей. В сражении участвовали 80 русских богатырей под руководством их вождя Алеши. Богатыри отражали нападение монгол «палицами», не имели защитных доспехов и все погибли от стрельбы монгольских лучников.
После сражения на Калке монголы исчезли, и о них не осталось никаких сведений. Летописец того времени записал: «Их же злых татар таурмен не сведаем откуду были пришли на нас, и где ся дели спять, токмо Бог ведат». Сабутай, переправившись через Волгу, был встречен войсками болгар, потерпел поражение и двинулся в Среднюю Азию, где и присоединился к войскам Чингисхана.
Тяжелое поражение, понесенное на р. Калке, не прекратило княжеских междуусобиц, и борьба началась между суздальскими, черниговскими и галицкими князьями за господство в Киеве и Новгороде.
