На правом фланге шведская пехота вела беглый огонь, отстреливаясь из-за плетня от наседавшей конницы противника. В разгар боя поляки подвезли две пушки и обстреляли пехоту. Наемники поспешно покинули ненадежное укрытие и отступили к своему лагерю. Часть солдат бежала к лесу. Боевые порядки союзников оказались расчлененными. Шведские командиры Делагарди и Горн покинули свою пехоту и с конным отрядом отступили в лагерь Шуйского.
Натиск польской кавалерии стал ослабевать, и союзники попытались перехватить инициативу. Отряд конных мушкетеров — англичан и французов — поскакал через клушинские поля навстречу врагу. Мушкетеры дали залп и повернули коней, чтобы пропустить вперед вторую шеренгу. Но поляки не дали им докончить перестроение и ударили на них с палашами. Мушкетеры смешались и бросились назад. На их плечах гусары ворвались в лагерь Шуйского. Пушкари и стрельцы не решились открыть огонь, опасаясь задеть своих. Промчавшись во весь опор через лагерь, гусары продолжали преследование, пока не устали их кони. На обратном пути лагерь встретил их выстрелами, и им пришлось пробираться окольной дорогой.
Князь Шуйский «устоял» в обозе. К нему присоединился Андрей Голицын с ратными людьми, которых удалось собрать в лесу. Более пяти тысяч стрельцов и ратных людей готовилось к последнему бою. При них находилось 18 полевых орудий. Дмитрий Шуйский сохранил достаточные силы для атаки, но он медлил и выжидал.
В сражении настала долгая пауза. Исход боя не переделился окончательно. Польская конница понесла большие потери, и ей нужен был отдых. Гусары переломали свои копья и, спешившись, расположились за пригорком. Без пехоты гетман не мог атаковать русский лагерь, ощетинившийся жерлами орудий. Он подумал о том, что его коннице трудно будет добраться и до шведской пехоты, как вдруг ему доложили о появлении перебежчиков.
Наемные войска всегда отличались ненадежностью. Делагарди с трудом удерживал в повиновении свое разноязычное воинство. Накануне битвы солдаты едва не взбунтовались, требуя денег. Швед получил от царя огромную казну, но откладывал расчет, ожидая, что в бою его армия сильно поредеет. Жадность шведского главнокомандующего обернулась против него самого. В отсутствие Делагарди и Горна наемная армия подняла бунт. Оценив ситуацию, Жолкевский послал в шведский лагерь племянника для заключения договора. Первыми на сторону врага перешли французские наемники. Затем заколебался отряд немецких ландскнехтов, стоявший в резерве. Узнав о переговорах, Дмитрий Шуйский прислал к немцам Гаврилу Пушкина с обещанием неслыханного вознаграждения.
Спохватились наконец и шведские военачальники. Вернувшись в свой лагерь, они попытались прекратить мятеж. Но дело зашло слишком далеко. Пытаясь спасти шведскую армию от полного распада, Делагарди предал русских союзников. Посреди клушинского поля он съехался с Жолкевским, чтобы заключить с ним перемирие отдельно от русских. Тем временем половина его рот прошла мимо своего главнокомандующего и присоединилась к полякам. Делагарди бросился в свой обоз и стал раздавать шведам деньги, присланные ему накануне царем. Английские и французские наемники требовали своей доли и едва не перебили шведских командиров. Не получив денег, они разграбили повозки Делагарди, а затем бросились к русскому обозу и учинили там грабеж.
Шведская армия перестала существовать. Король Карл IX рвал на себе волосы, узнав о катастрофе. Распад союзной шведской армии роковым образом сказался на судьбе русских войск. Дмитрий Шуйский отдал приказ об отходе. Отступление превратилось в беспорядочное бегство. Ратники спешили укрыться в окрестных лесах. В полной панике князь Дмитрий гнал коня, пока не увяз в болоте. Бросив коня, трусливый воевода едва выбрался из трясины. В Можайск он явился без армии. С недоумением разглядывали встречные богато одетого всадника, который голыми пятками ударял в бока тощую крестьянскую клячу, пытаясь заставить ее прибавить ходу. Некоторые узнавали в нем царского брата и торопливо кланялись.
Не получив вестей от Дмитрия Шуйского, Валуев на третий день после сражения произвел вылазку из острога. Весть о гибели русской армии поколебала стойкость осажденных. Гетман прислал к Валуеву Ивана Салтыкова. Этот тушинец клятвенно обещал, что король снимет осаду со Смоленска и вернет русским все порубежные города, едва страна признает Владислава своим царем. Валуев поддался на уговоры и заявил о признании смоленского соглашения.
Гетман Жолкевский имел теперь под своими знаменами казаков Заруикого и воинов Валуева — многотысячную русскую рать. Он рассчитывал склонить на свою сторону Яна Сапегу. Но наемники Сапеги, не получив от короля денег, ушли в Калугу к самозванцу.
Военное положение России ухудшалось со дня на день. Получив поддержку от Сапеги, Лжедмитрий возобновил наступление на Москву и занял Серпухов. Армия Жолкевского вступила в Вязьму и приблизилась к русской столице с запада.