В ночь на 5 сентября 1919 года казаки и солдаты Поздняковского полка бесшумно сняли часовых, вырезали посты на окраинах и проникли в центр станицы. Уточнив расположение красных и отрезав аэродром от летчиков и мотористов (взлетевшие аэропланы могли нанести большой урон отходившей коннице), белые открыли огонь и подняли панику среди бойцов и командиров тыловых подразделений.
Реальный бой в станице разительно отличался от картины, описанной Фурмановым и перекочевавшей в киноленту. Как вспоминали оставшиеся в живых белые участники того боя, Петра Исаева захватили в плен ранним утром, поэтому он никак не мог пойти на выручку начальнику дивизии. Не было и конной атаки на штаб дивизии — одной из ярких сцен заключительной части легендарного кинофильма.
Разрозненные группы красных, разбуженные выстрелами, пытались сопротивляться и наладить взаимодействие. Вооруженные лишь винтовками и несколькими пулеметами бойцы инструкторской школы и тыловых подразделений стремились найти командиров, но, как правило, легко обезвреживались казаками. Первые часы боя казаки вообще не брали пленных и только затем стали выводить их в резерв.
По данным белых, они уничтожили около 1500 красноармейцев и командиров, взяли в плен около восьмисот человек, потеряв убитыми и ранеными менее 120 человек. Такое соотношение потерь выглядит сомнительным, даже учитывая внезапность нападения и слабость боевой подготовки большей части гарнизона Лбищенска. Тем не менее штаб и тыловые подразделения 25-й дивизии были разгромлены, занявшим поселок белым достались значительные трофеи: аэропланы, боеприпасы и обмундирование. Вскоре, пишет Сергей Балмасов, в Лбищенск вошли красные курсанты и карательный «отряд особого назначения», печально «прославившиеся» при расказачивании, а также обозы и тыловые части 25-й дивизии. От неожиданной встречи с казаками они растерялись, не успели оказать существенного сопротивления и практически сразу были захвачены в плен. Курсанты и «отряд особого назначения» были почти полностью изрублены шашками.
Тактическая цель рейда была выполнена: красное командование, опасаясь новых ударов вырвавшихся вперед передовых бригад и окружения, начало отводить войска к Уральску. Однако казаки, увлеченные дележом и учетом трофеев, не сумели надежно блокировать местность и предотвратить просачивание небольших групп и отдельных красноармейцев и командиров к главным силам дивизии, которые, пусть и с опозданием, оповестили соратников Чапаева, а затем и вышестоящие штабы о тяжелом поражении и возможной гибели Чапаева.
Участь многих красноармейцев и командиров, оказавшихся 5 сентября в Лбищенске, была трагичной. Разъяренные казаки дали волю стремлению отомстить. Назначенного вместо Фурманова нового комиссара дивизии Павла Батурина, пытавшегося укрыться в одном из домов и выданного хозяйкой, казаки буквально изрубили на куски, стремясь доставить жертве наибольшие мучения. Пытки и мучительная смерть ждали и многих других политработников. Офицеры, особенно в разгар боя, не могли (а может быть, и не хотели) сдерживать солдат и казаков. После боя пленных водили по улицам. Если жители указывали на кого-нибудь как на грабителя или насильника, жертву на месте рубили шашками. Едва приглушенная жестокость войны между чапаевцами и казаками полыхнула пламенем бессмысленной и беспощадной мести.
Оказавшийся в Лбищенске вскоре после разгрома штаба 25-й дивизии офицер Уральской армии Борис Киров вспоминал: «Когда мы обыскивали двор, мы увидели, что из одного окна выскочил человек и скоростью, которую может придать только смертельный страх, пустился бежать вдоль улицы к Уралу. Конечно, его сейчас же поймали, это был красный. Допрашивать его было некогда, его просто вывели на зады двора, приказали снять хорошее обмундирование и расстреляли». Оставшихся в живых ждала незавидная участь: после избиения и издевательств их заставляли снимать новое обмундирование и «переодевали» в казачьи обноски.
Но захватить в плен Чапаева казакам не удалось. Бывший казачий офицер Павел Фадеев в воспоминаниях «Бои на Уральском фронте» писал, что пленение Чапаева было поручено взводу 1-й сотни 1-го полка под командованием подхорунжего Белоножкина, с которым шел красноармеец-перебежчик, вызвавшийся стать проводником. Взводу было приказано быстро выдвинуться к месту квартирования Чапаева, не ввязываясь в бой. Однако дом, где жил Чапаев, не был полностью оцеплен. Стоявший рядом с домом Белоножкин увидел лошадь, которую держал за повод неизвестный, скрывавшийся в доме. Когда хорунжий выстрелил, лошадь испуганно дернулась и вытащила своего коновода из дома. Казаки бросились на него и не заметили, как из дома с другой стороны выскочил «чисто одетый» человек. Белоножкин не смог немедленно броситься на убегавшего, которого сразу приняли за Чапаева, а затем нагнать отстреливавшегося начдива.