Командующий гарнизоном отверг ультиматум, но это уже было мужество отчаяния. По сути, у графа и не было другого выхода. Буквально только что произошла трагедия австрийского города Перхтольдсдорф, который капитулировал перед турками без боя. Несмотря на то что жителям города была гарантирована от имени султана полная безопасность, они были почти поголовно вырезаны янычарами, а их имущество разграблено.
Осада началась 14 июля, и османы, пусть и не слишком быстро, но неотвратимо продвигались к намеченной цели.
Хотя первые попытки штурма командующему гарнизоном удалось отбить, но это стоило осажденным больших потерь. Турки со знанием дела проводили подкопы и минную войну и в итоге сумели сделать в одной из стен обвал такого размера, что в него могло одновременно войти несколько десятков человек. Фон Штаремберг (ставший не только мозгом, но и сердцем обороны) с огромным трудом сумел не допустить прорыва османов и блокировать особо плотной обороной место обвала, но долго его удерживать все равно не смог бы. И хотя на помощь Вене пришло несколько отрядов (общей численностью около 15 тысяч) из немецких земель, однако принципиально изменить ситуацию это пополнение не могло.
Однако ситуация неожиданно изменилась. Понимая последствия для Речи Посполитой в случае захвата османами Вены, Собеский немедленно собрал силы для помощи союзнику. Преодолев путь от Варшавы до Вены всего за пятнадцать дней, 11 сентября он появился под городом.
Из Варшавы король вышел со следующими силами: 25 хоругвей тяжеловооруженной гусарии, 77 панцирных хоругвей, 31 хоругвь легкой кавалерии, драгуны, шляхетская пехота и несколько сотен запорожских казаков. Общая численность польско-литовских войск – 25–26 тысяч человек. У этих не слишком значительных сил также было не слишком много и артиллерии – всего 28 орудий.
Неподалеку от Вены под командование Собеского поступила 50-тысячная армия Карла Лотарингского. На военном совете было принято согласованное решение – Собеский и Карл Лотарингский должны были с разных сторон подойти к городу, занять вокруг него главенствующие высоты и совместным ударом обрушиться на османские войска.
Когда Собеский подошел к Вене, то под его командованием, кроме польских, находились следующие войска: Карла Лотарингского – 18 тысяч 400 австрийцев (из них 8 тысяч 100 кавалеристов) при 70 пушках; принца Георга-Фридриха Вальдекского – 20 тысяч при 38 пушках; саксонского курфюрста Иоганна Георга III – 9 тысяч (из них 7 тысяч пехотинцев) при 16 пушках.
Войска Священной лиги под общим командованием Собеского расположились следующим образом. На левом фланге, вплоть до берега Дуная, построились австрийцы под командованием Карла Лотарингского, в центре под командованием гетмана Яблоновского, поляки и швабы, остальные войска сосредоточились на правом фланге под командованием самого Собеского.
Битва началась ранним утром 12 сентября, и король перед ее началом дал всем своим войскам общий призыв: «Во имя Богородицы помоги нам, Господи!» Собеский вначале задействовал для атаки войска левого флага, и Яблоновский начал штурм селений Нурсдорф и Хайлигенштадт. Завязался чрезвычайно ожесточенный бой, в котором атаки гетмана чередовались с контратаками турок. Мустафа-паша послал для контратаки кавалерию численностью в 10 тысяч всадников, и она сумела не только опрокинуть польских гусар, но и чуть было не захватила в плен самого Собеского (прискакавшего на левый фланг, увидев, что положение там осложняется).
Однако король сумел быстро перекинуть для ликвидации прорыва из резерва четыре батальона немецкой пехоты, которые плотным огнем задержали продвижение османской кавалерии.
Все же через несколько часов османы, понеся огромные потери, были сбиты со своих позиций и начали отход в южном направлении.
Аналогичным образом развивались события и в центре, где турки были значительно потеснены.
Следует заметить, что победе как левого фланга, так позднее и в целом всех войск Собеского сильно помогла серьезнейшая ошибка османов. Переоценивая значение своего численного преимущества, Мустафа-паша разделил свои войска на две части. Вместо того чтобы сосредоточить все силы против Собеского, он оставил не менее 10 тысяч янычар для продолжения осады Вены. Понятно, что они не могли бы в любом случае самостоятельно захватить город (для недопущения выхода и соединения осажденных с Собеским достаточно было меньших сил), но отсутствие элитных ударных войск значительно снизило его возможности отражения многочисленных атак войск Священной лиги.