Войско Трубецкого повернуло назад на «ляхов» и, соединившись со стойко оборонявшимися ополченцами, восстановило оборону. Русская пехота, засев в ямах и «крапивах» Замоскворечья, перекрыла интервентам дороги к Кремлю. Вечерело, а исход боя 24 августа все еще был неясен.
К этому времени Дмитрий Пожарский и Кузьма Минин смогли привести в порядок отступившие конные сотни ополчения, собрав их против Крымского двора. Как только казаки заняли брошенные позиции в Замоскворечье, князь Дмитрий принял решение перейти в общее наступление. Сигналом для этого и была стремительная атака Кузьмы Минина, который в этот ответственный момент боя взял инициативу в свои руки.
Главные силы своего войска в минуты затишья Дмитрий Пожарский сумел сосредоточить на правом берегу Москвы-реки в районе государевых садов. Это была преимущественно спешившаяся конница.
Чашу весов в пользу русских склонили решительные действия Кузьмы Минина. Он обратился к Пожарскому с просьбой дать ему людей, чтобы ударить по врагу. Тот сказал: «Бери кого хочешь». Кузьма Минин взял из резервных отрядов ополчения, что стояли у Остоженки, три сотни конных дворян. Они не погнушались встать под начальство простого посадского человека, настолько любовь его к Родине вдохновила всех. Пожарский в помощь дворянским сотням выделил еще отряд ротмистра Хмелевского — литовского перебежчика, личного врага одного из польских магнатов.
В сумерках небольшой отряд Минина незаметно переправился через Москву-реку для нанесения удара с левого берега реки во фланг войску Ходкевича. Это был очень смелый замысел, так как русское командование уже знало, что гетман ввел в бой все свои резервы и что в районе Крымского двора им выставлен лишь небольшой заслон из двух рот — конной и пешей. Удар был настолько внезапным, что польские роты не успели даже принять боя и, преследуемые, бежали к своему лагерю, сея панику. Так «выборный человек всею землею» Кузьма Минин в решающий час сумел добиться перелома в битве.
Воспользовавшись замешательством в рядах королевских войск, пешие ополченцы во главе с князем Пожарским тотчас покинули свои укрепления в городских развалинах и ринулись в контратаку. Они решительно «пошли натиском» вперед к польскому лагерю. Удар главными силами ополчения по левому флангу войск Ходкевича был нанесен сокрушительный. За пехотинцами в бой устремилась конница.
Одновременно с атакой Пожарского в охват правого фланга войска Ходкевича пошли казаки Трубецкого. Все источники отмечают крупные силы русских, участвовавших в общей контратаке, их энергичные и одновременные действия. Так, в своем дневнике пан Будила отметил: «Русские… всею силою стали налегать на табор гетмана…» Ратники Пожарского развернутым фронтом продвигались вперед и метко разили противника.
Гетманское войско не выдержало столь решительного удара русских и побежало. Деревянный город был очищен от интервентов. Огромный обоз с продовольствием, стоявший в районе Ордынки, был окружен, а защитники его полностью перебиты. В руки победителей попали артиллерия, польские знамена и шатры.
В результате общей дружной контратаки интервенты были опрокинуты. Гетман Ходкевич стал спешно отводить свое войско из района Земляного вала. Его разгром завершила русская конница, которую воеводы Пожарский и Трубецкой бросили на преследование противника. Наступление русской конницы сочеталось с мощным огнем из пушек и пищалей. Гетман потерял при этом 500 человек убитыми; много польских панов было захвачено в плен.
Понеся большие потери, гетманские отряды в беспорядке отступили к Донскому монастырю, где простояли «в страхе всю ночь». Оттуда Ходкевич ушел к Воробьевым горам. Королевское войско было окончательно обескровлено. Кроме того, оно лишилось обоза в 400 возов с продовольствием.
Ополченцы хотели и дальше преследовать врага, но воеводы проявили осторожность и сдержали наиболее горячие головы, заявив, что «не бывает на один день две радости». Для устрашения отступающего в панике противника стрельцам, пушкарям и казакам было приказано вести беспрерывную стрельбу. Два часа они палили так, что, по словам летописца, не было слышно, кто что говорил.
На рассвете 25 октября гетман Ходкевич со своим заметно поредевшим войском «с великим срамом» побежал через Воробьевы горы к Можайску и далее через Вязьму в пределы Речи Посполитой. В пути его войско заметно поредело. С ужасом наблюдали его уход с кремлевских стен осажденные поляки. «О, как нам горько было, — вспоминал один из осажденных, — смотреть, как гетман отходит, оставляя нас на голодную смерть, а неприятель окружил нас со всех сторон, как лев, разинувши пасть, чтобы нас проглотить, и, наконец, отнял у нас реку».
Так закончилось сражение под Москвой, увенчавшееся полной победой народного ополчения над хорошо вооруженными и превосходящими в силах, особенно в коннице, войсками интервентов под командованием гетмана Ходкевича — одного из самых прославленных полководцев Европы того времени.