Приближаясь к столице, ополченцы расположились на ночлег у р. Яуза, в пяти километрах от города. Трубецкой, встретив их, предложил Пожарскому соединиться в одном стане, но тот ответил отказом. На следующий день ополченцы, подступив к Арбатским воротам, встали там лагерем. Ранее пришедшие отряды заняли позиции от Петровских до Никитских и Чертольских ворот и Алексеевской башни. Таким образом, вдоль западных стен Белого города были созданы новые и решены старые позиции, позволявшие сдерживать наступление со стороны Смоленской дороги.

21 августа Пожарский поручил разведчикам установить марш следования Ходкевича. Выяснив, что гетман идет к Москве от Вязьмы, он стал готовиться к отпору.

Численность русского войска под Москвой, включая казаков Трубецкого, составляла 8-10 тысяч человек. Одну его часть состава казаки (около 4 тысяч человек) и стрельцы (до 1 тысячи человек), другую — дворянские конные сотни и крестьянско-посадские ополченцы. Отряд Ходкевича насчитывал 12 тысяч человек; оборону Кремля держал трехтысячный польско-немецкий гарнизон. Самой надежной частью войск Ходкевича были конные шляхетские сотни. Пехота (до 1500 человек) состояла из венгерских, немецких и польских ландскнехтов-профессионалов; кроме того, под начальством талантливого полководца находилось до 8 тысяч украинских казаков. Не только по численности, но также по вооружению и военной выучке интервенты превосходили русских. Однако моральный перевес был на стороне последних.

Ходкевич остановился у Поклонной горы; на другой день он переправился через р. Москва у Новодевичьего монастыря и придвинулся к Чертольским воротам. Здесь против него выступил Пожарский. Трубецкой, стоявший на другом берегу реки, у Крымского двора (близ нынешнего Крымского моста), просил Пожарского выделить ему пять конных сотен, обещая ударить по неприятелю с другой стороны. Пожарский, не подозревая обмана, передал Трубецкому свои лучшие кавалерийские силы.

Ранним утром 22 августа ополченцы и поляки вступили в затяжной бой у Арбатских и Чертольских ворот. После полудня неприятель стал одолевать. Однако Трубецкой не спешил с помощью. Не в силах сдерживать мощный натиск гетмана, Пожарский отдал приказ всадникам спешиться. Жестокая сеча продолжалась, но вскоре русские стали уступать. Видя это, сотни, ранее посланные к Трубецкому, не дожидаясь приказа, бросились на помощь своим. С ними последовали четыре казачьих атамана из полков Трубецкого. Лишь это позволило отразить гетманскую рать, отбросить ее за Москву-реку с нанесением большого урона. Попытка осажденного гарнизона произвести вылазку из Кремля к Чертольским воротам, в тыл ополчения, также закончилась неудачей.

Ночью Ходкевич предпринял попытку доставить в Кремль провиант, но русские отбили неприятельский обоз; впрочем, 600 гайдуков смогли пробиться к осажденным через Замоскворечье, бывшее «зоной ответственности» Трубецкого. Именно здесь и решил в дальнейшем прорываться Ходкевич; он рассчитывал на разногласия в русских рядах, а также на слабость укреплений, защищавших город на этом направлении. В соответствии с новым польским планом, который каким-то образом стал известен Пожарскому, обе стороны произвели перегруппировку своих войск.

Главные силы ополчения переместились к югу и встали по берегу Москвы-реки. Сам Пожарский стоял на Остоженке, готовый в любую минуту перейти реку вброд, чтобы оказать помощь на угрожаемых участках. Его воеводы расположились вдоль Земляного города; по рву к Земляному валу, защищавшему подступы к столице с юга, стали стрельцы с двумя орудиями. Трубецкой с казаками, выйдя из таборов, расположился в восточной части Замоскворечья, в Лужниках. Казаки заняли острожек, на стыке Ордынки и Пятницкой (около Климентовской церкви), который охранял дорогу от Серпуховских ворот к Плавучему мосту, соединявшему Замоскворечье с Китай-городом.

Польский стан был расположен сначала у Поклонной горы, а затем у Донского монастыря. На рассвете 23 августа Ходкевич с запаса ми вновь двинулся от Сетуни к столице; Пожарский, став частью близ церкви Илии Обыденного, частью на месте бывшего Деревянного города, вышел против неприятеля.

На рассвете 24 августа начался решающий бой. Ходкевич сделал последнюю попытку прорваться в Кремль. Передовой отряд польского войска должен был пробить путь арьергарду с обозом. Навстречу неприятелю выступила русская конница, которая в течение нескольких часов сдерживала его натиск. Тогда гетман ввел в бой все свои сил и потеснил конницу; поляки начали обстреливать ров, где засели стрельцы. Под натиском неприятеля последние были вынуждены отступить.

Захват укреплений Земляного вала был несомненным успехом Ходкевича. Это позволило ему ввести в город 400 повозок с продовольствием для осажденных. Последним успехом гетмана был прорыв венгров Граевского и запорожцев Зборовского в Замоскворечье и захват им Климентовского острожка. Одновременно поляки сделали вылазку до Кремля и тоже достигли острожка. Однако закрепить этот успех неприятелю не удалось.

Несмотря на успехи гетманского войска, русские не поддались панике. Их отход совсем не походил на бегство. Ополченцы занимали удобные рытвины, ямы, заросли бурьяна, прятались в развалинах строений, чтобы продолжать сражение. Закрепление на новых рубежах происходило стихийно, нередко по инициативе самих бойцов и младших командиров.

Предчувствуя неизбежность катастрофы, вожди ополчения уполномочили князя Дмитрия Лопату позвать келаря Авраамия и поручили ему уговорить казаков, чтобы те двинулись сражаться. Авраамию удалось справиться с этой задачей, и казаки, стоявшие за рекой у Никитской церкви, последовали за сподвижниками. Два ополчения Трубецкого и Пожарского, соединившись вместе, напали с обеих сторон на врагов у Екатерининской церкви. Кровопролитный бой завершился тем, что укрепление у Климентовской церкви было занято русскими. Обоз захвачен, защитники острожка перебиты (одних только венгров погибло 700 человек).

Наступил вечер, когда Минин дал сигнал к контратаке. Взяв с собой ротмистра Хмелевского с тремя сотнями дворян, он переправился через Москву-реку и остановился против Крымского двора, где находились две роты неприятеля. Удар Минина пришелся им во фланге, но те, не дожидаясь столкновения, пустились в бегство в сторону польского стана. Сминая друг друга, роты внесли смятение в ряды других частей.

Затаившаяся русская пехота также перешла в контрнаступление. Казаки, стоявшие на противоположном берегу, решительно переправились через реку и поддержали своих. Этой демонстрации силы оказалось достаточно, чтобы поляки оставили не только укрепления Земляного вала, но и свой стан, бросив обозы с шатрами, знаменами и всякими припасами. Многие ополченцы хотели преследовать Ходкевича, но предводители мудро убеждали их, что «в один и тот же день не бывает двух радостей». Устрашенный гетман отступил к Донскому монастырю и Воробьевым горам, а поутру принял решение о немедленном возвращении в Литву.

Таким образом, в сражении 22–24 августа войска гетмана Ходкевича, пытавшиеся извне прорваться в Кремль, были разгромлены и понесли тяжелые потери. Участники народного ополчения проявили в сражении массовый героизм, а их руководители — высокое полководческое мастерство и личную храбрость. Эта победа предрешила судьбу вражеских гарнизонов в Кремле и Китай-городе, которые капитулировали 22–26 октября 1612 года. Москва была освобождена. Этим создавались условия для восстановления государственной власти в стране и развертывания массового освободительного движения против интервентов.

В ноябре 1612 года руководители ополчения разослали по городам грамоты о созыве Земского собора для выборов нового царя. В феврале 1613 года Земский собор избрал на царство Михаила Романова, кандидатура которого устраивала разные слои русского общества. В конце 1618 года было подписано Деулинское перемирие, завершившее войну с Польшей.