В стенах Кремля и Китай-города находился заблокированный польско-литовский гарнизон численностью около 3 тыс. человек, на помощь которому и стремилось прийти войско под предводительством Яна Карла Ходкевича, великого гетмана литовского. По подсчётам историка Г. Н. Бибикова, численность его войск достигала 12 тыс. человек, при том что русских воинов в совокупности было не более 8−10 тысяч.
По качеству вооружения армия интервентов также превосходила русские войска. «Все выехаша окованы збруями, яко вода колебашеся и шеломы на глав их… яко прекрасная заря светящеся, блистание сабель их яко молния, ино и копей их вознятия, яко великий лес дубравный, вкупе ж… и смотрети страшно», — будто бы с придыханием описывал польское войско автор Филаретовой рукописи.
Казакам же, выступавшим на стороне ополченцев, была уготована менее лестная характеристика: «В единых срачицах и без порток, токмо едину пищаль да пороховницу у себя имуще». Этим же пан Будило пытался поддеть Дмитрия Пожарского, главного воеводу нижегородского ополчения, которому писал: «Лучше ты, Пожарский, отпусти к сохам своих людей».
Яркими фигурами командного состава были Дмитрий Пожарский, Кузьма Минин, Иван Хованский и Дмитрий Лопата-Пожарский с русской стороны; сам Ходкевич, Александр Зборовский, Николай Струсь и Иосиф Будило — с польско-литовской. Впрочем, далеко не все военачальники отличались особенными талантами и достаточным опытом — это касается как одной, так и другой стороны.
Если же говорить о силе боевого духа воинов, то в этом вопросе, очевидно, перевес должен был быть на стороне ополченцев. По мысли уже упомянутого Г. Н. Бибикова, ими руководило желание пресечь посягательства интервентов на Москву. Многочисленными наёмниками же, выступавшими на стороне противников, двигало стремление разжиться разнообразными ценностями, которых, впрочем, в и без того разграбленной Москве не могло быть слишком уж много.
21 (31) августа 1612 года войска Ходкевича подошли к Москве — ополченцы оказались там днём ранее. Согласно плану гетмана, необходимо было прорвать оборону в западной части города. После этого коротким путём к стенам Кремля мог бы проехать обоз с припасами, в которых нуждались их осаждённые соратники.
Наступление было решено начинать на следующее утро. Войска Ходкевича преодолели Москву-реку и заняли позиции у Новодевичьего монастыря. План гетмана был хорош всем, кроме того, что о нём прекрасно знал Пожарский. Князь предпочёл атаковать первым, чем несколько дезориентировал противника. Бои велись в течение всего дня, причём интересно, что князь Дмитрий Трубецкой, формально поддерживавший ополченцев, на деле оставался в стороне. «Богаты пришли из Ярославля и одни могут отбиться от гетмана», — такой позиции придерживался князь.
К вечеру того же дня Ходкевич был вынужден отступить, его потери оказались значительными. В ночь с 22 на 23 августа (с 1 на 2 сентября по григорианскому календарю) нескольким сотням гайдуков удалось прорваться в Кремль — эта возможность представилась им из-за предательства дворянина Григория Орлова. Впрочем, положение дел это не только не улучшило, но скорее даже усугубило: число осаждённых, нуждавшихся в провизии и питьевой воде, увеличилось.
24 августа (3 сентября по григорианскому календарю) состоялось столкновение, решившее исход сражения. Поначалу интервентам удавалось действовать уверенно и даже на некоторое время частично овладеть полем битвы. Однако когда боевые действия переместились на городские территории, положение поляков осложнилось из-за неровной территории, на которой они ориентировались с трудом. Несмотря на то, что Ходкевич на сей раз проявил себя как талантливый полководец, ко второй половине дня инициатива со стороны поляков начала угасать. Их ряды охватила паника. Ополченцы же «всею силою стали налегать на табор гетмана». Всё это привело к отступлению интервентов и безоговорочной победе русских войск. Эта победа повлекла за собой и падение поляков внутри Кремля.
В результате сражения польско-литовские войска были разбиты вторым народным ополчением, что повлекло за собой последующий окончательный разгром интервентов. «Поляки понесли такую значительную потерю, что её ничем уже нельзя было вознаградить. Колесо фортуны повернулось — надежда завладеть целым Московским государством рушилась невозвратно», — писал польский историк 17-го века Станислав Кобержицкий.