Татары быстро преодолели расстояние от Пахры до Рожая и всей массой обрушились на русские позиции. Стрельцы полегли на поле боя все до единого, но засевшие в «гуляй-городе» воины отбили атаки конницы сильной пушечной и ружейной пальбой.
Обеспокоенный неудачей, главный татарский воевода Дивей-мурза выехал на разведку и приблизился вплотную к русским позициям. Здесь его захватили в плен «резвые» дети боярские.
Кровопролитное сражение продолжалось до самого вечера 30 июля. Потери татар были исключительно велики. Погибли предводитель ногайской конницы Теребердей-мурза и трое знатных крымских мурз. Не добившись успеха, хан прекратил атаки и в течение двух дней приводил в порядок свою расстроенную армию.
В сражении русские одержали победу, но успех грозил обернуться неудачей. Когда поредевшие полки укрылись в «гуляй-городе», запасы продовольствия у них быстро иссякли, и в армии «учал быти голод людям и лошадем великой».
После двухдневного затишья Девлет-Гирей 2 августа возобновил штурм «гуляй-города», направив к нему все свои конные и пешие полки. Атакой руководили ханские сыновья, получившие приказ во что бы то ни стало «выбить» у русских Дивей-мурзу. Невзирая на потери, татары упорно пытались опрокинуть неустойчивые стены «гуляй-города», «изымалися у города за стену руками, и тут многих татар побили и руки пообсекли бесчисленно много». К концу дня, когда натиск татар начал ослабевать, русские предприняли смелый маневр, который и решил исход сражения. Воевода Михаил Воротынский с полками покинул «гуляй-город» и, продвигаясь по дну лощины позади укреплений, скрытно вышел в тыл татарам.
Оборона «гуляй-города» была поручена князю Дмитрию Хворостинину, в распоряжение которого поступили вся артиллерия и немногочисленный отряд немецких наемников.
По условленному сигналу Хворостинин дал залп изо всех орудий, затем «вылез» из крепости и напал на врага. В тот же самый момент с тыла на татар обрушились полки Воротынского. Татары не выдержали внезапного удара и бросились бежать.
Множество их было перебито и взято в плен. В числе убитых были сын хана Девлет-Гирея и его внук. В руки воевод попало много знатных крымских и ногайских мурз.
На другой день после победы русские продолжали преследование неприятеля и разгромили арьергарды, оставленные ханом на Оке и насчитывающие до 5000 всадников. Согласно укоренившейся традиции, славу победы над татарами всецело приписывают главному воеводе князю Михаилу Воротынскому. Курбский хвалил его, но в сдержанных выражениях: «Муж крепки и мужественой, в полкоустроениях зело искусни». Князь отличился под стенами Казани, но крупных самостоятельных побед у него не было. Назначение Воротынского главнокомандующим связано было прежде всего с местническими законами — знатностью воеводы. Подлинным героем сражения при Молодях, кажется, был молодой опричный воевода князь Дмитрий Хворостинин, формально занимавший пост второго воеводы передового полка. На его исключительные заслуги в войнах с татарами указывал осведомленный современник Джильс Флетчер. За два года до битвы при Молодях Хворостинин нанес сильное поражение крымцам под Рязанью. Но в полной мере его военный талант раскрылся во время войны с татарами в 1572 г. Именно Хворостинин разгромил татарские арьергарды 28 июля, а затем принял на себя командование «гуляй-городом» во время решающего сражения 2 августа.
Сражение при Молодях 1572 г. относится к числу значительнейших событий военной истории XVI в. Разгромив в открытом поле татарскую орду, Русь нанесла сокрушительный удар по военному могуществу Крыма. Гибель отборной турецкой армии под Астраханью в 1569 г. и разгром Крымской орды под Москвой в 1572 г. положили предел турецко-татарской экспансии в Восточной Европе.
Блестящая победа объединенной земско-опричной армии над татарами оказала определенное воздействие на внутренние дела государства, ускорив отмену опричнины.
