Следя за передвижениями противника, Мстиславский выдвинул полк правой руки под командой Шуйского, а также отряды Маржарета и Розена, составленные из служилых иноземцев. Гетман Дворжецкий немедленно атаковал Шуйского, собрав воедино свою немногочисленную польскую конницу. В атаке участвовало около десяти конных отрядов: двести гусар, семь рот конных копейщиков, отряд шляхты из Белоруссии и отряд русских всадников. Не выдержав яростной атаки, воевода Шуйский дрогнул и стал отступать. Расчистив себе путь, конница Дворжецкого повернула к селу, на окраине которого стояла русская пехота с пушками. Тут она была встречена мощным орудийным и ружейным залпом и повернула назад. Отступление завершилось паническим бегством.
Взаимная независимость и недоверие шляхты и вольных запорожцев подтачивали армию самозванца изнутри. Ротмистры в один голос с «царевичем» утверждали, будто виновниками катастрофы были запорожцы. Когда ветер принес со стороны русского лагеря клубы дыма, писал С. Борша, запорожцы будто бы испугались и побежали, а гусары бросились вслед, убеждая их вернуться. На самом деле в поражении повинны были не казаки. Свидетельство участника боя Маржарета позволяет точно определить, кто побежал с поля битвы первым. Залп из десяти — двенадцати тысяч ружейных стволов, писал Маржарет, поверг атакующую конницу в ужас, и она в полном смятении обратилась в бегство. Участники атаки единодушно утверждали, что пальба сама по себе причинила немного вреда нападавшим: было убито менее десятка всадников. Однако поляки хорошо помнили, чем кончилась безрассудно лихая атака капитана Домарац-кого под Новгородом-Северским. На поддержку запорожцев они не рассчитывали, не доверяя им. Оставшиеся у самозванца конница и пехота пытались поддержать атаку гусар и с редким проворством двинулись им на помощь, думая, что дело выиграно. Однако, столкнувшись со своей конницей, отступавшей в полном беспорядке, казаки повернули вспять. Вопреки утверждению самозванца, именно казаки предотвратили полное истребление его войска. Преследуя гусар, русские натолкнулись на батарею, которую прикрывала пехота. По признанию Борши, казаки, оставленные при орудиях, хорошо держались против русских. Брошенные на произвол судьбы, они почти все полегли на поле боя, самозванец потерял всю свою пехоту. Конница понесла меньшие потери, чем отряды казаков и комарицких мужиков. Поляки исчисляли свои потери в три тысячи человек. Маржарет считал, что у противника было пять-шесть тысяч убитых. В официальных отчетах воевод фигурировала еще большая цифра. Согласно разрядной записи, на поле боя было найдено и предано земле одиннадцать с половиной тысяч трупов. Большинство из них составляли будто бы «черкасы» (украинцы). В руки победителей попали пятнадцать знамен и штандартов и вся артиллерия — пятьдесят пушек.
Отрепьев возглавил атаку гусар вместе со своим гетманом Дворжецким. Первая и последняя в его жизни атака закончилась позорным бегством. Во время отступления под ним была ранена лошадь, и он чудом избежал плена. Самозванец сначала укрылся на Чемлыже, а затем скрытно от всех покинул лагерь и ускакал в Рыльск.
Запорожцы, узнав о его бегстве, пустились по его следам, «но под стенами Рыльска их встретили ружейной пальбой и поносными словами как предателей государя Дмитрия Ивановича». Некоторые русские источники подтверждают польскую версию о том, что запорожцы хотели расправиться с самозванцем и отомстить за своих погибших товарищей.