На плечах половцев монголы ворвались в расположение главных сил. Начался неравный бой. Численное превосходство неприятеля и неорганизованное сопротивление русских, из которых почти никто не успел надеть доспехи, предопределили исход сражения. Началась кровавая резня: русские дорого поплатились за свою беспечность. Мстислав и Даниил поскакали назад к Днепру с остатками дружины. Шестеро князей, включая Мстислава Черниговского, погибли во время этого бегства. Мстислав Удалой избежал погони; он даже успел уничтожить все русские ладьи, чтобы не пустить монголов на правый берег Днепра.
Затем в течение трех дней монголы безуспешно осаждали укрепленный стан Мстислава Киевского. Отчаявшись, они предложили Мстиславу отпустить его вместе с защитниками лагеря за выкуп. Вождь бродников Плоскиня, который присоединился к монголам, поклялся от его имени, что условия соглашения будут строго соблюдаться. Русский поверили. Однако когда они вышли из лагеря, монголы напали на татар и всех перебили.
Мстислав и два других князя были захвачены живыми; их связали и положили на землю, поверх настелили доски, на которых монгольские военачальники устроились праздновать свою победу. Смерть князей была мучительной.
Жестокое поражение русского войска было закономерным. Значительное по численности, оно было разобщенным по организации: не было единого начала, каждая дружина сражалась сама по себе; любой князь мог по своей воле покинуть поле боя. Таким образом, сказывалась политическая разобщенность Руси в условиях упадка Киева и становления новых центров государственности.
После победы монголы организовали преследование остатков русского войска (лишь каждый десятый воин вернулся из Приазовья), разрушая на днепровском направлении города и деревни, захватывая в плен мирных жителей. Однако дисциплинированные монгольские военачальники не имели приказа задерживаться на Руси. Вскоре они были отозваны Чингисханом, который посчитал, что основная задача разведывательного похода на запад успешно решена. На обратном пути монголы разграбили Сурож, затем двинулись к Средней Волге. Здесь, у устья Камы, войска Джебе и Субедея потерпели серьезное поражение от волжских булгар, отказавшихся признать над собой власть Чингисхана. После этой неудачи монголы спустились вниз к Саксину и прикаспийскими степями возвратились в Азию, где в 1225 году соединились с главными силами монгольского войска.
Внезапное появление монголов на Руси в 1223 году и их не менее внезапное исчезновение прибавляло загадочности к горечи русского поражения. Как записал новгородский летописец: «…и бысть вопль, и плачь, и печаль по городом и по селом… Татары же возвратишася от реки Днепра; и не сведаем, откуда суть пришли и кдеся деша опять».
По разделе наследства Чингисхана земли достались в удел его внуку, Батыю. Ровно через 13 лет после битвы на Калке Батый возглавил общемонгольский поход в Восточную и Центральную Европу (1236–1243).