Уже под вечер, воспользовавшись тем, что враг сосредоточился на одной стороне холма и увлекся атаками, Воротынский предпринял смелый маневр. Дождавшись, когда главные силы крымцев и янычар втянутся в кровавую схватку за гуляй-город, он незаметно вывел большой полк из укрепления, провел его лощиной и ударил в тыл крымцам. Одновременно, сопровождаемые мощными залпами пушек, из-за стен гуляй-города сделали вылазку и воины Хворостинина. Не выдержав двойного удара, крымцы и турки побежали, бросая оружие, обозы и имущество. Татарское войско подверглось полному разгрому, по сведениям источников, в рубке погибли сын, внук и зять Девлета Гирея, большинство татарских и ногайских мурз, а также все семь тысяч янычар. Русские захватили много татарских знамен, шатры, обоз, артиллерию и даже личное оружие хана. Весь последующий день остатки татар гнали до Оки, дважды сбивая и уничтожая арьергарды Девлета Гирея, который привел назад в Крым только каждого пятого воина из числа участвовавших в походе. Андрей Курбский писал, что после Молодинской битвы ходившие с татарами в поход «турки все исчезоша и не возвратился, глаголют, ни един в Констянтинополь». 6 августа о Молодинской победе узнал и Иван Грозный. К нему в Новгород 9 августа был доставлен Дивей-мурза.
Множество высших крымских сановников попало в плен.
«…Августа в 2 день в вечеру оставил крымской царь для отводу в болоте крымских тотар три тысечи резвых людей… а сам царь тое ночи побежал и Оку реку перелез тое же ночи. И воеводы на утрее узнали, что царь крымской побежал и на тех остальных тотар пришли всеми людьми и тех тотар пробили до Оки реки. Да на Оке же реке крымской царь оставил для обереганья тотар две тысячи человек. И тех тотар побили человек с тысечю, а иные многие тотаровя перетонули, а иныя ушли за Оку».
Во время преследования пеших крымцев, потерявших коней, до переправы через Оку было перебито большинство бежавших, а также еще один 2-тысячный крымский арьергард, оставленный на охрану переправы. За Окой казаки вцепились в хвост конным крымцам. Гнали очень жестко. В Крым возвратилось не более 10 тысяч воинов. Янычары пропали все.
После безуспешного похода против Русского царства Крым на время лишился значительной части боеспособного мужского населения, так как по обычаю почти все боеспособные мужчины были обязаны участвовать в походах хана. Крупномасштабные походы на Русь на время прекратились (до 1591 г.). Османская империя была вынуждена отказаться от планов вернуть среднее и нижнее Поволжье в сферу своих интересов, и они были закреплены за Москвой. Разоренное стихийными бедствиями конца 1560-х гг., воюющее на два фронта Русское государство смогло выстоять и сохранить свою независимость в крайне критической ситуации. На Дону и Десне пограничные укрепления были отодвинуты на юг на 300 километров, непродолжительное время спустя были заложены Воронеж и новая крепость в Ельце – началось освоение богатых черноземных земель, ранее принадлежавших Дикому полю.
Крым остался беззащитным, что позволило, как показано выше, казакам донским и запорожским осуществить разрушительные ответные походы по Черному морю на Крым и Турцию, отомстив за Москву. Но самым важным в провале похода было третье – гибель всех элитных турецких янычар. Это вызвало шок у османской элиты. Причем шок стратегического характера. Умноженный на шок астраханский. Снова всплывший в памяти. Только шок еще более страшный. Из России при атаке с Юга не возвращаются! Особенно пехота и артиллерия. Даже самая лучшая. Осознав это, Турция отказалась от идеи завоевания России. Навсегда. Для нас угроза НЕЗАВИСИМОСТИ с Юга исчезла. Без Турции разбойничьему Крыму эта задача была не по зубам. А турки, продолжая снабжать Крым оружием, отказались от помощи ВОЙСКАМИ. Крым, получив погром на суше и с моря, не мог оклематься 20 лет. Через 20 лет, при хане Казы Гирее, эти рожи снова двинулись на Москву. Их армия была даже больше, чем у Девлета Гирея. НО. Турки им не дали янычар, и разгром был не только страшный для Крымского ханства, но и на удивление легкий для русской армии, что только подтвердило несамостоятельность к концу века Крымского ханства вкупе с военной отсталостью.