Едва русская армия построилась в боевой порядок, как с юга показались главные силы турок, они охватили русский лагерь полумесяцем и вскоре пошли на приступ. Турецкая армия имела подавляющее преимущество. При 38 000 человек под командой Петра русским пришлось сдерживать натиск 135-тысячной турецкой армии. При этом велико было преимущество турок и в артиллерии — 407 против 122.
Однако защитники укреплений Станилешти выглядели достойно.
Примерно за три часа до захода солнца 9 июля турки, не дожидаясь всей своей армии и артиллерии, атаковали русский лагерь. В атаке участвовали 20 000 янычар. Построившись в боевой порядок в форме клина, они нанесли главный удар по дивизии генерала Аларта. Турецкая конница участия в атаке не приняла, а поддерживала свою пехоту криками. Натиск янычар был очень силен. Однако лагерный огонь брюсовской артиллерии почти в упор не только охладил их пыл, но и привел в замешательство и принудил к поспешному отступлению. Дело дошло до того, что турецкие военачальники рубили саблями беглецов, пытаясь остановить и привести в порядок свои войска.
Сражение продемонстрировало высокое военное искусство русского командования и отличную подготовку пехоты и особенно артиллерии: «…артиллерия, стрелявшая двойными зарядами (ядром и картечью), производила ужасное опустошение в густых толпах турок». Воспользовавшись тем, что янычары вели наступление на одном направлении, русское командование снимало войска с неатакованных участков и смело вводило их в сражение. В этом сражении было уничтожено 8000 турок.
Энергичный отпор русской армии оказал на янычар большое моральное воздействие. Уже после провала второй атаки кегая — помощник великого визиря, фактически командующий турецкой армией, — заявил военному советнику турецкой армии генералу Станиславу Понятовскому: «Мой друг, мы рискуем быть разбитыми, и это неизбежно случится!»
К ночи сражение стало затихать. Начальник янычар и великий визирь Балтаджи-Мехмет-паша приказал устроить окопы и закрепляться. Тем временем подошла турецкая артиллерия. Началась орудийная дуэль, продолжавшаяся вплоть до рассвета. Русские стреляли настолько удачно, что заставили великого визиря перенести свою ставку на расстояние, недосягаемое для огня. В течение ночи противник пытался приблизиться к русскому лагерю, но сильной стрельбой был отбит.
Несмотря на успешное отражение турецких атак, положение русской армии продолжало оставаться тяжелым. «Люди и лошади, — отмечал в своем дневнике генерал Аларт, — не отдыхали более трех суток к ряду. К тому же всюду испытывался недостаток в боевых припасах и провианте». На серьезность положения, в котором очутилась русская армия, указывал сам Петр: «И правда, никогда как начал служить, в такой дисперации (отчаянном положении) не были (понеже не имели конницы и провианту)».
И все же регулярная армия Петра I продолжала быть грозной силой. Ее солдаты сохраняли высокий моральный дух. В ином положении находились турецкие войска. Они были деморализованы понесенными потерями, отказывались участвовать в штурме русских позиций. Кроме того, по турецкой армии прошел слух, что с юга на соединение с Петром идет корпус генерала Ренне. К сожалению, об этом не знали в лагере русского царя. Иначе исход противостояния у Новых Станилешти мог быть иным.
Утром 10 июля турки начали артиллерийский обстрел русского лагеря, который продолжался беспрерывно до двух часов дня. Он велся и с противоположной стороны Прута, куда переправилась часть турецких войск. Это еще больше осложнило положение, так как затруднило снабжение армии питьевой водой. Под председательством Петра I был созван военный совет. Его участники приняли решение предложить великому визирю перемирие, а в случае отказа атаковать противника всеми силами. В стан противника был отправлен унтер-офицер Шепелев с письмом за подписью фельдмаршала Шереметева, в котором излагались мирные предложения. Ответа не последовало. Тем временем русские продолжали укреплять свой лагерь и одновременно готовиться к прорыву вдоль Прута на север. Вскоре великому визирю было послано второе письмо. В нем указывалось, что, если турки будут медлить с ответом, русская армия перейдет в наступление. Ответа не последовало и на этот раз. Тогда Петр I отдал приказ выступить из лагеря и атаковать турецкие позиции. Но едва построенные в боевой порядок русские полки прошли несколько десятков саженей, как «от турок тотчас прислали, чтоб не ходили, ибо оне мир приемлют, и для того учинить унятие оружия, и чтоб прислали, с кем об оном мире трактовать».
Турецкое командование ответило согласием. Сражение 9 июля наглядно показало преимущество русской регулярной армии над армией Османской империи. Победа представлялась туркам почти невозможной. И они сочли более выгодным добиться дипломатическим путем своих целей в войне, чем идти на риск генерального сражения.