Напуганный рассказом об огромных силах противника, Потоцкий решил не принимать боя, а отойти и соединиться с хоругвями Иеремии Вишневецкого, от которого прибыл гонец. Он сообщил, что шеститысячный отряд Вишневецкого, состоящий из шляхты, идет навстречу Потоцкому.
В ночь на 16 мая разведка донесла Хмельницкому о подготовке ляхов к отступлению. Богдан лишь усмехнулся в усы и про себя проговорил услышанную недавно от казаков пословицу: «Скачи, ляше, як Хмель скаже». Пока не подошел Вишневецкий, армия Потоцкого должна быть разбита.
Той же ночью Хмельницкий получил от своего казака Самойла Зарудного, служившего при Потоцком, сведения о том, что поляки решили, бросив тяжелые возы, всем войском, построенным походным табором, идти через Богуслав и Белую Церковь на Паволочь. Зарудный сообщил, что вызвался провести коронное войско кратчайшим путем к Богуславу. На пути шляхетского войска за десять верст от города Корсуня будет узкая лесная долина — балка Гороховая Дубрава. Дорога здесь спускалась в узкий болотистый овраг и проходила между двумя кручами, склоны которых поросли густым высоким дубняком. Пересеченная лесистая местность лишала поляков возможности использовать преимущества своей кавалерии. Учитывая это, Хмельницкий решил дать бой Потоцкому именно здесь.
Расположив свои силы у Корсуня на противоположном берегу Роси, Хмельницкий отправил в обход польского войска шесть тысяч пеших казаков с артиллерией по главе с Максимом Кривоносом. В урочище Гороховая Дубрава, или, как ее еще называли, Крутая Балка, они устроили засаду — прокопали через дорогу несколько рвов, заложили засеки, по обочинам ее устроили завалы из срубленных деревьев, в густом кустарнике спрятали пушки, засели при выходе дороги из леса в густом дубняке и специально вырытых шанцах.
На рассвете 16 мая громоздкая колонна шляхетского войска начала отход из своих укреплений. В авангарде и арьергарде ее находилась кавалерия, в центре — обоз, груженный боеприпасами и разным имуществом, и артиллерия в восемь рядов, а по бокам располагалась пехота.
Стояла предрассветная тишина. Казалось, никто не замечал, как поднялось и начало свое движение войско. В казацком и татарском таборах словно все заснуло глубоким сном. И ничто не предвещало беды. Скорым маршем с величайшими предосторожностями дошли до Гороховой Дубравы и стали спускаться но крутому откосу к болотистому леску. Здесь шляхетскому войску, ничего не ведавшему о засаде, пришлось менять свой походный порядок. И внезапно по ним из кустарника ударили казацкие пушки. Узкая дорога и густой лес, в который втянулось польское войско, мешали ему обороняться. Этим воспользовались казаки и начали с двух сторон громить жолнеров и шляхту. И пока те пробивались через лес, казаки расстреливали их из пушек, мушкетов, самопалов. Авангард врага бросился пробиваться вперед, остальные повернули назад, ища выхода из яра, но всюду натыкались на глубокие шанцы и завалы из деревьев. Пушки увязли в трясине и ничем не помогли полякам.
Когда в бой вступили основные силы казацко-крестьянского войска во главе с Хмельницким, а также татары Тугай-бея, старый Потоцкий, видя, что его армия гибнет, делает последнее усилие. Он приказывает конным хоругвям спешиться и взяться за мушкеты. Но не приученные к пешему бою польские кавалеристы не успели даже построиться в боевой порядок. Казаки ударили по ним, смели и образовавшейся «улицей» прошли через весь табор. Татары ворвались в лагерь с другой стороны. Началось смятение. Этим воспользовалась челядь, пахолки[59], которым спешившиеся паны отдали своих лошадей. Вскочив на лошадей, они бросились вскачь. Некоторое время, упорно обороняясь, держался только центр. Но вскоре рухнул и он. После этого началась всеобщая паника. Жолнеры разбегались, «кто как мог, и татары их топтали конями, других живьем взяли». Лишь князь Корецкий сумел пробиться сквозь ряды окружения, оставив на поле боя половину своего двухтысячного отряда.
Казакам и татарам досталась богатая добыча. В плен попали оба польских гетмана и несколько десятков других магнатов. Все они тотчас были отправлены в Крым.